Реферат учащегося "Физика человека"
творческая работа учащихся по физике (9 класс) по теме

МОУ  «КРАСНОЗНАМЕНСКАЯ  СОШ»

РЕФЕРАТ

по физике

  Тема: « ФИЗИКА

             ЧЕЛОВЕКА»

Выполнила:  ученица 9 класса

                       Вшивкова Марина

Учитель:      Рихтер О.А.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………… .

1. Физика человека

1. Простые механизмы в организме человека …………………
2. Деформации в организме человека…………………………..
3. Система кровообращения человека………………………….
4. Диффузия в организме человека……………………………..
5. Приспособление человека к различной температуре……….
6. Влажность воздуха и ее роль в организме человека………..
7. Закон сохранения и превращения энергии в организме  человека ……………………………………………………….
8. Электрические явления в организме человека……………...
9. Колебания в организме человека…………………………….
10. Электромагнитные излучения в организме человека………

2. Исследовательская часть

Заключение…………………………………………………………

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Изучая курс физики, мы, по большей части, рассматриваем  неживую природу, а о живой природе говорим вскользь. Но, вместе с тем, живая природа так уникальна и в ней действуют  все законы механики, электростатики, оптики, акустики, термодинамики и ядерной физики.

 Вот пчела села на цветок и нечаянно задела тычинку, пыльник которой ударил ее по спинке и просыпалась пыльца. Биолог усмотрит в этом примере процесс опыления растения, физик  же обратит внимание на характер движения пчелы,  издаваемый ею звук, действие рычага – тычинки и свободное падение пыльцы.

А что уже говорить об организме самого человека! Тут столько физический явлений, такое поле деятельности !

Вот хор исполняет песню. Музыкант сразу же обратит внимание на ноты, издаваемые певцами, высоту голосов, громкость и стройность исполнения песни. Физик же узреет в этом  колебательное движение голосовых связок, распространение звуковых волн в среде и их интерференцию, а также колебание барабанной перепонки в ухе слушателя.

В своей работе я как раз и хотела рассмотреть организм человека глазами физика, а также изучить, насколько это возможно в рамках школьной физической лаборатории, себя. Моя работа помимо физики будет тесно связана  с рядом школьных предметов: биологией, химией, физкультурой и музыкой.  

I. ФИЗИКА ЧЕЛОВЕКА

1.1.   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. Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Соотношение длины плеч рычажного элемента скелета находится в тесной зависимости от выполняемых данным органом жизненных функций. Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (рис. 1). Здесь ось вращения рычага  О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы R, позади - сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

Другим примером работы рычага является действие свода стопы при подъеме на полупальцы (рис. 2).  Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей.

Преодолеваемая сила R – вес всего тела – приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила F, осуществляемая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.

В природе распространены гибкие органы, которые могут в широких пределах менять свою кривизну  (позвоночник, пальцы). Их гибкость обусловлена или сочетанием большого числа коротких рычагов с системой тяг, или сочетанием элементов, сравнительно гибких, с промежуточными элементами, легко поддающимися деформации. Управление изгибанием достигается системой продольных или косо расположенных тяг (рис.3, 4).

«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 (рис. 5)

1.2. ДЕФОРМАЦИИ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

     Человеческое тело испытывает достаточно большую механическую нагрузку от собственного веса и от мышечных усилий, возникающих во время трудовой деятельности. Интересно, что на примере тела человека можно проследить все виды деформации. Деформации сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступни; деформации растяжения - верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы; деформации изгиба – позвоночник, кости таза, конечностей; деформации кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и так далее.

     В таблице отражены пределы прочности различных видов тканей организма человека и веществ на различные виды деформации.  

      Из таблицы видно, что модуль    упругости для кости или сухожилия при растяжении очень велик, а для мышц, вен, артерий он очень мал. Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8*107  Н\ м 2.

     Соединительные ткани в связках, в легких и так далее обладают большой эластичностью, например,  затылочная связка может быть растянута более чем вдвое.

     Сопротивление кручению очень быстро возрастает с увеличением толщины, поэтому органы, рассчитанные на выполнение крутильных движений, как правило, длинные и тонкие (шея).

При прогибе происходит растяжение материала по выпуклой его стороне и сжатие по вогнутой, средние части заметной деформации не испытывают.

Поэтому в технике сплошные брусья заменяют трубами, балки делают тавровыми или двутавровыми; это экономит материал и уменьшает массу установок. Как известно, трубчатое строение имеют кости конечностей. Балка, сводообразно изогнутая кверху и имеющая надёжные опоры, не допускающие раздвигания её концов (арка), обладает огромной прочностью по отношению к усилиям, действующим на её выпуклую сторону (архитектурные своды, бочки, в организмах – череп грудная клетка).

Строительное искусство природы и людей развивается по одному и тому  же принципу – экономии материалов и энергии. Известно, что твердый материал в костях располагается в соответствии с направлениями главных напряжений. Это можно обнаружить, если рассмотреть продольный разрез верхней части бедренной кости (рис. 6)  и кривую балку, работающей на изгиб под действием нагрузки, распределённой на некотором участке верхней поверхности. Интересно, что стальная Эйфелева башня напоминает по своему строению трубчатые кости человека (бедренную или берцовую). Имеется подобие и во внешних формах конструкций, и в углах между «перекладинами» и «балками» кости и раскосами башни.

                      1.3.  СИСТЕМА КРОВООБРАЩЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА.

         При операциях на сердце часто возникает необходимость временно выключить его из круга кровообращения  и оперировать сухое сердце (рис. 7). Аппарат искусственного кровообращения надежно поддерживают на протяжении всего процесса заданный минутный объём кровообращения в организме (порядка 4 - 5 литров для взрослого больного),  заданную температуру циркулирующей крови.

    Аппарат искусственного кровообращения состоит из двух основных частей: системы насосов и оксигенатора. Насосы выполняют функции сердца – они поддерживают давление циркуляцию крови  в сосудах организма во время операции Оксигенатор выполняет функции лёгких и обеспечивает насыщение крови кислородом не ниже 95% и поддерживает парциальное давление СО2 на уровне 35- 45 миллиметров ртутного столба. Венозная кровь из сосудов больного самотеком переливается в оксигенатор, располагающийся ниже уровня операционного стола, где насыщается кислородом, освобождается от избытка углекислоты и далее артериальным насосом нагнетается в кровяное русло больного. АИК на непродолжительное время способен заменять функции сердца и легких. В настоящее время практически все операции на сердце выполняются с помощью АИК. В отдельных случаях операция производится при умеренной гипотермии (снижение температуры) организма, что дает возможность более длительно применять АИК.

      В настоящее время ученые-медики и инженеры работают над созданием и применением аппарата «искусственное сердце».

При рассмотрении капиллярных явлений следует подчеркнуть их роль в биологии, так как большинство тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходит основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни, тесно связанная с диффузионными явлениями.

Приведем некоторые данные для организма человека.

► Площадь поперечного сечения аорты 8см2, а общая площадь всех капилляров примерно 3200 см2,то есть площадь капилляров больше площади аорты в 400 раз. Соответственно падает скорость кровотока – от 20 см/с вначале аорты до 0.05 см\с в капилляре.

► Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5мм. В теле взрослого человека имеется 160 млрд. капилляров.

► Общая длина капилляров достигает 60-80 тыс.км; через каждый квадратный миллиметр поперечного сечения сердечной мышцы в среднем проходит до 2 тыс.капилляров

  Физической моделью сердечно - сосудистой системы может служить система из множества разветвлённых трубок с упругими стенками. По мере разветвления общее сечение трубок возрастает и скорость движения жидкости соответственно уменьшается. Однако вследствие того, что разветвление состоит из множества узких каналов, потери на внутреннее трение при этом сильно возрастает и общее сопротивление движению жидкостей (не смотря на снижение скорости) значительно увеличивается.                

                     1.4.    ДИФФУЗИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

      Наибольшее  всасывание пищевых продуктов происходит в тонких кишках, стенки которых специально для этого приспособлены. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 м2. Она покрыта ворсинками - микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2-1мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4-5м2, то есть в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела. И в процессе всасывания большую роль играет диффузия.

      ДЫХАНИЕ - перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы - происходит тем быстрее,  чем  больше площадь поверхности соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых площади поверхности велики по сравнению с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов более крупных дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, что покровы чрезвычайно тонки, при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам – максимум поверхности и минимум толщины и увлажненность покровов. Первое достигается многочисленными разветвлениями или складками (легочные альвеолы, бахромчатая форма жабр).

     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. С одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28%, а выделяться углекислого газа даже на 54 % больше, чем в легких. Однако,  во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с лёгкими, так как общая площадь поверхности лёгких если развернуть все 700 млн, альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90-100м2, а общая площадь поверхности кожи человека около 90-100м2, то есть в 45-50 раз меньше.

     Ритмичное дыхание грудной клетки ещё не есть дыхание, но оно обеспечивает дыхание. При вдохе за счет работы межреберных мышц 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. На рисунке 8 представлена схема газообмена в лёгких. Здесь показана диффузия кислорода О2 и углекислого газа СО2 через стенки альвеол.

КЕССОННАЯ БОЛЕЗНЬ. Наиболее интенсивно диффузия происходит между газами или между газом и жидкостью. Газы адсорбируются на поверхности жидкости, а затем путем диффузии распространяются по всей её массе, иначе говоря, растворяются в ней. При не слишком высоких давлениях масса газа, растворяющегося в жидкости, прямо пропорциональна парциальному давлению газа над ней. При снижении давления газа над поверхностью жидкости растворённый в ней газ выделяется в форме пузырьков. Это явление лежит в основе кессонной болезни, которой страдают водолазы. Известно, что на глубине под водой водолаз дышит воздухом при повышенном давлении и кровь его насыщается газами воздуха, особенно азотом. В результате резкого снижения давления при возвращении на поверхность воды азот выделяется из крови в виде пузырьков, которые могут попасть в кровеносный сосуд небольшого диаметра. В этом случае может наступить полная закупорка сосудов. Явление это называется газовой эмболией. Закупорка сосудов в жизненно важных органах может иметь серьёзные последствия для организма. Чтобы избежать этого, приходится возвращать водолаза на поверхность очень медленно (после работы на глубине 80 м в течение 1 часа на подъём надо затратить около 9 часов) или же использовать специальные декомпрессионные камеры. В настоящее время разрабатывается устройства с применением гелиево-кислородной смеси, которые дают возможность более быстрого возвращения водолаза на поверхность.                  

1.5. ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА К РАЗЛИЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ.

     Из-за свойств цитоплазмы клеток все живые существа способны жить при температуре между 0 и 500 С. Большинство местообитаний на поверхности нашей планеты имеет температуру именно в этих пределах; для каждого вида выход за эти пределы означает гибель либо от холода, либо от жары.

      Для того чтобы сохранить температуру тела постоянной, человек должен либо уменьшать потери тепла эффективной защитой, либо увеличить производство тепла. Это достигается весьма разнообразными способами. Прежде всего, важен защитный покров. Защитные одежды человека заключается в том, что они задерживают конвекционные потоки, замедляют испарение, ослабляют или совсем прекращают лучеиспускание. Хорошо известна и защитная роль жира. Существуют различные механизмы для сохранения тепла в незащищённых местах, действующие за счет теплообмена в пучках кровеносных сосудов, где соприкасаются вены и артерии. Оказывается, что уши тем короче, чем холоднее климат. Борьба с перегревом осуществляется в основном путём увеличения испарения. Различные условия, затрудняющие испарение, нарушают регулирование теплоотдачи организма. Так, кожаная, резиновая, клеенчатая, синтетическая одежда затрудняет регулировку температуры тепла. Для терморегуляции организма важную роль играет потоотделение, оно обеспечивает постоянство температуры тела человека или животного. За счет испарения пота уменьшается внутренняя энергия, благодаря этому организм охлаждается.          

     ПОЧЕМУ МЫ КРАСНЕЕМ В ЖАРУ, А В ХОЛОД БЛЕДНЕЕМ И  ДРОЖИМ? Это объясняется следующим образом. Нормальная для человека температура окружающей среды 18-200С. Если она становится выше 250С, то возбуждаются кожные нервные окончания, воспринимающие тепловое раздражение, и благодаря сигналам от центральной нервной системы происходит расширение сосудов кожи. В кожу протекает больше крови из внутренних органов, и она при этом краснеет. При низкой температуре среды организм начинает отдавать большую часть теплоты путем теплопроводности и излучения. Кожа получает тепло главным образом с притекающей кровью. Для уменьшения теплоотдачи сосуды суживаются, поэтому мы бледнеем. Когда нам холодно, в нашем организме увеличивается выделение энергии в мышцах благодаря беспорядочному сокращению отдельных групп мышечных волокон, которые мы называем дрожью.      

                 1.6. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА И ЕЁ РОЛЬ В ОРГАНИЗМЕ

        ЧЕЛОВЕКА.

     Нормальным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведёт к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Однако такое активное потоотделение является значительной нагрузкой для человека! Если ещё при этом  абсолютная влажность высока, то жить и работать становится ещё тяжелее (влажные тропики, некоторые цеха, например красильные).

     Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха тоже вредна, так как  приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведёт к его обезвоживанию.

1.7. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА.

      При изучении закона сохранения и превращения энергии важно подчеркнуть роль ученого Р. Майера, который первым его сформулировал с позиции врача – естествоиспытателя. Внимание его привлекали явления, происходящие в организме человека. Он заметил разницу в цвете венозной крови в странах умеренного и тропического поясов и пришёл к выводу, что «температурная разница» между организмом и окружающей средой должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной. Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода, или интенсивности процесса сгорания, происходящего в организме. Осмысливая эти наблюдения на основе принципа, что «ничего не происходит из ничего и ничто не превращается в ничто и что причина равна действию», уже в 1841г. Майер высказал основную идею закона сохранения и превращения энергии.

      Ряд исследований Майера посвящён выявлению энергетических процессов. Майер считал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме служат химические процессы, протекающие в нем в результате поглощения кислорода и пищи

     Излагая закон сохранения и превращения энергии, желательно проиллюстрировать его применение превращений одного вида энергии  в другой, происходящих в живых организмах. Для этого можно использовать таблицу, в которой показаны  разнообразные превращения энергии в живых клетках.

     Важно отметить, что любой живой организм есть открытая термодинамическая система, далёкая от состояния равновесия. Интересно также сделать расчеты энергетических превращений в живом организме и определить коэффициенты полезного действия некоторых биологических процессов. Мы знаем, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии системы, или за счет сообщения системе некоторого количества теплоты.        

     В живой системе независимо от того, целый это организм или отдельные органы (например, мышцы), работа не может совершаться за счет притока теплоты извне, т. е. живой организм не может работать как тепловая машина. Это можно показать простым расчетом. Известно, что у тепловой машины

                                    Т1 - Т2

                                                         КПД = -----------

                                                                          Т1

где Т1  и Т2 - соответственно температуры источника теплоты и холодильника в абсолютной шкале температур.

Попытаемся определить температуру мышц (Т1), предполагая, что она работает как тепловая машина, при температуре 250С с КПД 30%. Подставляя в формулу температуру холодильника Т2= 298 К и предполагая КПД=1 /3, получим  

                Т1 – 298 К           1

                                                                             -----------------------    ==       --------

                                        Т1                                3        

откуда Т1 = 447К, или 1740С. Таким образом, если бы мышца работала как тепловая машина, она нагрелась бы в этих условиях до температуры 1740С. Это, разумеется, нереально, так как белки, как известно, денатурируют при температуре около 500С. Таким образом, в живом организме работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы.

      Справедливость первого закона термодинамики для биологии можно доказать, если живой организм изолировать от окружающей среды, изменить количество выделенной им теплоты и сравнить его с тепловым эффектом биохимических реакций внутри организма. С этой целью ещё в 1780 г. Лавуазье и Лаплас помещали морскую свинку в калориметр и измеряли количество выделенной теплоты и углекислого газа. После этого определяли количество теплоты, выделяющейся при прямом сжигании исходных продуктов питания. В обоих случаях получились близкие значения.

      Более точные результаты были получены при измерении количеств теплоты углекислого газа, азота и мочевины, выделенных человеком. На основании этих данных вычисляли баланс обмена белков, жиров и углеводов. И здесь совпадение оказалось достаточно хорошим.

       В настоящее время калориметрические измерения позволяют делать важные выводы о жизнедеятельности человека, давать направление к диагностике некоторых заболеваний Недавно создан тепловизор – прибор, наглядно показывающий температурные изменения в теле человека. Этот метод позволяет распознать самые разные недуги, связанные с воспалительными процессами, сопровождающимися повышением температуры данного участка тела. Приведём КПД некоторых биологических процессов

      1.8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

     Одна из наиболее важных функций живого организма – способность реагировать на изменение окружающей среды, называемая раздражимостью. Например, одноклеточные простейшие способны реагировать на изменение температуры или освещение при помощи механического ответа (амебоидное движение, движение ресничек и жгутиков). Наивысшего развития раздражимость у животных, у которых имеются специализированные клетки, образующие нервную ткань. Нервные клетки – нейроны приспособлены для быстрого и специфического ответа на разнообразные раздражения, поступающие из внешней среды и тканей самого организма. Получение и передача раздражений происходит при помощи электрических импульсов, распространяющихся по определённым путям. В процессе эмбрионального развития из тела нервной клетки вырастает длинный отросток – аксон, образующий нечто вроде телеграфного провода для передачи сообщений (рис. 9).  У взрослого человека длина аксона может достигать 1 – 1,5 м при толщине около 0,01мм. Иногда аксоны сравнивают с электрическими проводами, но в действительности электрический сигнал проходит по ним не так, как по проводу. В то время, как в медном проводе ток распространяется, близкой к скорости света, в аксоне импульс движется со скоростью до 100 м/с.  У содержимого аксона  удельное электрическое сопротивление примерно в 100 млн. раз больше, чем у медной проволоки. Кроме того, изолирующая способность наружной мембраны аксона примерно в 1млн. раз слабее, чем у оболочки хорошего кабеля. Если бы распространение электрического сигнала по аксону зависело только от электропроводности, то введённый в него сигнал затухал бы в пределах нескольких миллиметров

     Оболочка аксона разделяет два водных раствора, которые обладают почти одинаковой электропроводностью, но различным химическим составом. Во внешнем растворе более 90% заряжённых частиц представляют собой ионы натрия (Na+) и хлора (Cl-). В растворе внутри клетки основную часть положительных ионов представляют собой ионы калия  (К+), а отрицательных – крупные органические ионы. Концентрация ионов натрия (Na+) снаружи клетки в 10 раз выше, чем внутри, а концентрация ионов калия (К+) внутри в 30 раз выше, чем снаружи. Когда мембрана находится в невозбуждённом состоянии, она обладает высокой проницаемостью для калия и лишь незначительно проницаемостью для натрия. Вследствие большого градиента концентрации,  ионы калия выходят из аксона наружу. В результате возникает разность потенциалов около 60 мВ, причём внутреннее содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к наружному раствору. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя нервной клетки.

       Любое изменение проницаемости мембраны для одного из ионов может привести к изменению потенциала. Именно это и происходит, когда по аксону пробегает электрический импульс. Если раздражать аксон очень слабым электрическим током, он затухает, пройдя по волокну всего несколько миллиметров. Если повышать интенсивность электрического сигнала приложенного к мембране нервной клетки, то, начиная с некоторого уровня сигнала, уже не затухает. Ток снижает потенциал покоя в точке, по которой он проходит, и потенциал покоя падает до нуля; мембрана деполяризуется. В ответ на снижение потенциала проницаемость мембраны для натрия внезапно возрастает. Это ведёт к дальнейшему снижению потенциала. Ионы натрия устремляются из окружающей жидкости внутрь аксона. В результате отрицательный потенциал около 60 мВ сменяется положительным потенциалом около 50 мВ. Это новое состояние означает возникновение потенциала действия. Аксон генерирует свой собственный импульс, который распространяется с постоянной скоростью по всей его длине от одного конца до другого. Сразу после возникновения потенциала действие проницаемости мембраны для натрия снижается, а для калия возрастает, после чего потенциал на этом участке возвращается к уровню покоя.    

      БИОЛОГИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ.  Информация из внешнего и внутреннего мира воспринимается так называемыми рецепторами, которые связаны с центростремительными, или чувствительными, нейронами. Каждый рецептор воспринимает только один вид энергии: рецепторы глаза улавливают световые электромагнитные колебания, рецепторы уха – звук, рецепторы кожи – механические или температурные раздражения. И в коже их функции разделены: одни реагируют только на прикосновения, другие – на давление, третьи – на растяжение и т. д. Температурные рецепторы тоже специализированы: одни реагируют на холод, другие – на тепло.

     В результате раздражений возникают нервные импульсы, природа которых одна и та же. Нервный импульс, идущий по слуховому нерву, по своей биофизической природе ничем не отличается от нервного импульса, идущего в мозг от зрительного, обаятельного или тактильного рецептора. Сигналы не смешиваются. Они идут по всем определённым путям и попадают в определённые центры. В восприятии принимают участие не только рецепторы, но и нервы, по которым возбуждение идёт в мозг, которые воспринимают это возбуждение. Вся полученная энергия превращается в поток нервных импульсов, преобразуется в доступную для кодирования форму. Чувствительность анализаторов удивительна. В организмах существуют своего рода «усилители», т. е. приспособления, снижающие порог их чувствительности. Чтобы их действие было понятным, напомним один пример. Когда охотник приводит в действие спусковой механизм оружия, он прилагает небольшое усилие. Но пуля выталкивает газы, которые образуют в результате загорание пороха, кинетическая энергия летящей пули становится значительной! Подобно этому происходит снижение порога чувствительности в организме. Например, глаз способен воспринимать несколько квантов света! Подобные процессы увеличения чувствительности совершаются не только в зрительном, но и в других анализаторах.

      РЕГИСТРАЦИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ. Биопотенциалами называют разности электрических потенциалов, возникающих в клетках, тканях и органах живого организма. Биопотенциалы отдельных клеток, входящих в состав определённой ткани или организма, суммируясь, образуют результирующую разность потенциалов, изменение которой во времени характерно для ткани или органа. Эту разность потенциалов можно измерить или зарегистрировать с помощью определённым образом расположенных электродов. Разность потенциалов от электродов подводится к усилителю, а затем записывается на движущейся ленте регистрирующего устройства.

      Поскольку биопотенциалы очень тонко отражают функциональное состояние органов и тканей, то регистрация их с последующим изучением является весьма распространенным приёмом при физиологических исследованиях и при диагностики заболеваний. Наиболее распространена регистрация потенциалов сердца (ЭКГ – электрокардиография), головного мозга (ЭЭГ – электроэнцефалография), а так же периферических нервных стволов и мышц (ЭМГ – электромиография).

     Потенциалы, возникающие при работе, сердца регистрируются при помощи электродов, накладываемых в определённых местах на поверхности тела, - там, где при работе сердца образуется набольшая разность биопотенциалов.

     Электрокардиограмма представляет собой сложную несимметричную кривую. Периодичность её связана с частотой сокращения сердца и находится в норме в пределах 60 – 80 периодов в минуту. Электрокардиограмма здорового человека показана на рисунке   .

Для регистрации биопотенциалов головного мозга служит прибор электроэнцефалограф. Биопотенциалы головного мозга отводятся при помощи электродов, накладываемых в различных точках кожи головы. Частоты колебаний зависят от состояния организма. На рисунке показана электроэнцефалограмма. Определённые нарушения работы мозга вызывают определённые изменения биотоков. Такая зависимость характера токов от состояния организма позволяет учёным изучать процессы, происходящие в мозгу человека. И не только изучать, но иногда и судить о том, здоров он или болен и каков характер заболевания.    

     НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ БИОПОТАНЦЕАЛОВ. Важным и интересным примером новой медицинской техники является вживляемый под кожу сердечный стимулятор (водитель ритма). Он представляет собой в простейшем варианте генератор кратковременных импульсов с фиксированной частотой и собственным источником питания, смонтированный в корпусе размерами 5*8 см, покрытом биологически инертным полимером. Масса стимулятора 100 г. Стимулятор вживляют под кожу в удобном месте, а провода от него, покрыты силиконовой резиной, подводятся к сердечной мышце и укрепляется на ней с помощью небольших крючочков – зажимов, которые служат электродами. Частота импульсов 60 – 70 в минуту, длительность (в соответствии с параметрами электровозбудимости сердечной мышцы) порядка 1 – 3 см, сила тока в импульсах 3 – 5 мА.

      В последнее время больших успехов достигала наука в спасении человека, перешедшего в состояние клинической смерти, - реанимация. Результаты её всё больше и больше применяется в практике работы скорой помощи и в больницах. В состоянии умирания организма электрокардиограмма меняется по форме, амплитуде и интервалам между отдельными циклами. Однако пока сохраняется электрическая активность сердца, борьба за жизнь умирающего продолжается.        

      ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ. Ткани живых организмов весьма разнородны по составу. Органические вещества, из которых состоят плотные части тканей, представляют собой диэлектрики. Однако жидкости содержат, кроме органических коллоидов, растворы электролитов и поэтому являются относительно хорошими проводниками.

    Удельную электропроводность различных тканей организма человека при постоянном токе можно характеризовать ориентировочными данными, приведенными в таблице.

     Наибольшую электропроводность имеют спинномозговая жидкость, сыворотка крови; значительно меньше электропроводность внутренних органов, а также мозговой (нервной), жировой и соединительной тканей. Плохими проводниками, которые следует отнести к диэлектрикам, являются роговой слой кожи, сухожилия и особенно костная ткань без надкостницы.      

Электропроводность кожи, через которую ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от толщины и состояния её поверхностного слоя. Тонкая и особенно влажная кожа, а также кожа с повреждённым наружным слоем эпидермиса хорошо проводит ток. Наоборот, сухая огрубевшая кожа – весьма плохой проводник.      

     Электрический ток, проходят через организм человека, раздражает и возбуждает живые ткани человека. Степень возникающих изменений зависит от силы тока и частоты его. Ток 1 мА считается безопасным для человека. Прохождение по телу человека промышленного тока (частота 50Гц) 3мА вызывает лёгкое покалывание в пальцах, прикасающихся к проводнику. Ток 3 – 5 мА вызывает раздражающее ощущение во всей кисти руки. Токи 8 – 10 мА приводят к непроизвольному сокращению мышц кисти и предплечья. Максимальные токи = 13 мА, при которых человек в состоянии самостоятельно освободиться от контакта с электродами, называются отпускающими токами. Непроизвольные мышечные сокращения при токе порядка 15 мА приобретают такую силу, что разжатие руки становится невозможным (неотпускающий  ток). При токах 0,1 – 0,2А наступают беспорядочные сокращения сердечной мышцы, ведущей к гибели человека.

При условиях, ослабляющих изолирующую способность кожи (мокрые руки, ранения, большие поверхности контактов), смертельными могут быть напряжения 100 – 120В и даже меньше. Поэтому в ряде производств для массовых профессий применяется низкое напряжение. Например, при электромонтаже используют паяльники, рассчитанные на напряжение 24 В. В сырых помещениях разрешается работать при напряжении не более 12 В.                

                      1.9. КОЛЕБАНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

        В живом организме органы, ткани, клетки работают ритмически. Даже мембрана клетки пропускает ионы в определённом ритме. Нарушение ритма – признак нарушения жизнедеятельности организма. Система ритмов многоярусна. На нижнем ярусе – ритмы клеточные и субклеточные. Более сложные – тканевые ритмы служат основной для ритмической деятельности органов, а последние обусловливают ритмичность организма в целом. Обитатели планеты Земля миллионы лет приспосабливались к движению её вокруг оси, когда день сменяет ночь. Сон бодрствование, принятие пищи, подъём и спад работоспособности определяются движением Земли. Каждый организм подчиняется ещё и сезонной периодичности, которая обусловлена  движением Земли вокруг Солнца и наклоном оси вращения Земли к плоскости земной орбиты.

       Зачем понадобились «часы» живым организмам? Для наилучшего приспособления к периодическим внешним условиям. Важная особенность колебательных систем – способность к взаимной синхронизации. Только благодаря этому живые системы могут настраиваться правильно, и из множества слабо связанных колебательных процессов возникает гармония периодического явления.

       Сердце – пример колебательной системы в живой природе. Сердце – одна из самых совершенных колебательных систем этого рода. Правильность работы сердца определяется синхронной работой целой группы мышц, обеспечивающих переменной сокращение желудочков и предсердий. Синхронизаций этой работы «заведует» специальный орган, так называемый синусный узел, вырабатывающий с определённой частотой синхронизирующие импульсы электрического напряжения. Если синхронный режим сокращения сердечных мышц нарушается, то могут наступить так называемые фибрилляции – хаотические сокращения отдельных волокон сердечной мышцы, которые, если не принять экстренных мер, приводят к гибели организма. Срочные меры заключаются в насильственной синхронизации сердца с помощью особого массажа или с помощью электрических импульсов от специального генератора. В настоящее время миниатюрный электронный генератор синхронизирующих импульсов даже вживляет в организм.                      

          Примером колебаний в организме человека служит барабанная перепонка органа слуха. Колебания воздуха, доходящие до уха человека, вызывают колебания той же частоты барабанной перепонки. Эти колебания передаются посредством молоточка, наковальни и стремечка далее.

Колеблются и голосовые связки человека, издавая при этом звуки.

1.10. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

       Роль электромагнитных полей в живой природе чрезвычайно многообразна: это влияние их на жизнедеятельность организмов, электромагнитные связи между организмами, а также ЭМП как средство локации.

   Организмы самых различных видов обнаруживают чрезвычайно высокую чувствительность к ЭМП, особенно к тем, которые близки к естественным полям биосферы: к геомагнитному и геоэлектрическому полям, к полям атмосфериков, солнечных вспышек. Под действием ЭМП нарушается ряд физиологических функций – ритм сердца, кровяное давление, обменные процессы, меняется эмоциональное состояние, нарушается осязание, зрение, восприятие звуковых сигналов.

    В настоящее время изучается профессиональная вредность разных видов ЭМП. В большей мере исследован вопрос о возможном влиянии на людей ЭМП, создаваемых радио – и телепередатчиками, а также атмосферным радиофоном. Между тем уровень этих полей в последнее время резко возрос.

Очень интересны наблюдения электромагнитных взаимодействий внутри организмов и между организмами. Недавно обнаружены ранее неизвестные электромагнитные колебания, генерируемые сердцем человека; открыта и исследована электромагнитная система регуляции у позвоночника, которая связана со своеобразным распределениями  поверхностных потенциалов.    

II. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ  ЧАСТЬ

2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ И АНТРОПОМЕТРИЧЕСКИЕ

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 19944 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.

Любопытные сведения о человеческом организме  можно почерпнуть и из книги «Физика в таблицах» В.А.Орлова.

2.               ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБОТА   № 1

ТЕМА: «Определение ростовых показателей человека».

ЦЕЛЬ: определить рост, обхват груди,  талии,  бедер,  плеча,  головы,  запястья,  шеи,  бедра.

ОБОРУДОВАНИЕ: сантиметровая лента.

ХОД РАБОТЫ

Вывод: Я измерила свои ростовые показатели и в сравнении с таблицей  чехословацких исследователей Шрамковой, Зелезни и Прокопец оказалось, что я имею пропорциональное развитие, но высокой девушкой мне никогда не стать

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБО ТА   № 2

ТЕМА: «Определение средней  мощности, развиваемой при беге на 30 м,

приседании и взбегании по лестнице».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, линейка, веревка с гирей, секундомер.

ХОД РАБОТЫ

а) мощность при беге на дистанцию 30 метров

1. Измерим  массу тела m.

2. Измерим  время бега t.

3. Вычислим  среднюю мощность Nср по формуле Nср = 2mS2 / t3  с учетом соотношения S=vср t = vt / 2.

Nср = 2 * 55кг * (30м) 2 / (6,19 с)3 = 2583,77Вт

Рассчитаем погрешность.

Nср  зависит от m, t и  S.

 Δm = 0,1 кг    Δt = 0,005 с   ΔS = 0,5 см = 0,005 м

ε = Δm / m +  3* Δt / t + 2* ΔS / S  = 0,1/55+3*0,005/6,19 + 2*0,005/30 = 0,17

ΔN = Nср * ε = 2583,77 Вт * 0,17 = 448,34 Вт

Вывод: Я определила среднюю мощность, развиваемую при беге на 30 метров, и она оказалась равна

Nср = 2583,77 + 448,34  Вт

б) средняя мощность при приседании

1. Измерим высоту своей поясницы Н

2. Измерим высоту своего тела h  в положении «присев»

3. Измерим массу своего тела m

4. Сделаем n приседаний за время t

5. Вычислим среднюю мощность по формуле N = n*m*g *(Н – 0,5*h) / t

Рассчитаем погрешность.

Nср зависит от m, t, h и  Н.

 Δm = 0,1 кг    Δt = 0,005 с   ΔН = 0,5 см = 0,005 м     Δh = 0,5 см = 0,005 м

ε = Δm / m +  Δt / t + ΔН / Н + Δh/ h  = 0,1 / 55 + 0,005 / 10,25 + 0,005 / 1,03 + +0,005 / 1,02 = 0,012

ΔN = Nср * ε =  274,25 Вт * 0,012 = 3,29 Вт

Вывод: Я определила среднюю мощность, развиваемую при приседании,  и она оказалась равна

Nср = 274,25 + 3,29  Вт

в) средняя мощность при взбегании по лестнице

1. Измерим высоту лестницы h, спустив гирьку на веревке
2. Определим время t, затраченное на подъем по лестнице
3. Измерим массу своего тела m
4. Вычислим среднюю мощность Nср

Рассчитаем погрешность.

Nср зависит от m, t, h .

 Δm = 0,1 кг            Δt = 0,005 с          Δh = 0,5 см = 0,005 м

ε = Δm / m +  Δt / t +  Δh/ h  = 0,1 / 55 + 0,005 / 3,14+ 0,005 / 5,15 = 0,004

ΔN = Nср * ε =  328,63 Вт * 0,004 =  1,31 Вт

Вывод: Я определила среднюю мощность, развиваемую при взбегании по лестнице,  и она оказалась равна

Nср = 328,63 + 1,31  Вт

      ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБО ТА   № 3

ТЕМА: «Силы рук при выполнении упражнения на перекладине».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, ванна с водой, мерная кружка.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим  массу тела m.

2. Повиснув на перекладине в спортзале на одной руке, почувствовать напряжение мышц руки.

3. Вычислим  силу тяжести, действующую на тело по формуле Fт =mg

4. Определим объем своего тела Vт.

5. Найдем выталкивающую силу, действующую на тело со стороны воздуха по формуле Fа =ρ гgVт, , плотность воздуха примем 1, 29 кг/м3.

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

Рассчитаем погрешность.

Fт  зависит от m и Vт.

 Δm = 0,1 кг      ΔV= 0,0005 м3   

ε = Δm  /  m +  ΔV / V  = 0,1 / 55 + 0,0005 /  2,35  = 0,002

ΔF = Fт * ε =  539 Н * 0,002 = 1,08 Н

Вывод: Я определила силу руки в висе на перекладине и она оказалась равна

F = 539 + 1,08  Н

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБО ТА   № 4

ТЕМА: «Определение механической работы при прыжке в высоту».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, линейка, планка.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим  массу тела m.

2. Измерим высоту своей поясницы Н. (Центр тяжести на уровне поясницы).

3. Измерим высоту планки h, которую я хочу перепрыгнуть.

4. Сделаем прыжок

5. Вычислим совершенную механическую работу А = mg (h – Н).

Рассчитаем погрешность.

А  зависит от m, Н и h.

 Δm = 0,1 кг      ΔН= 0,005 м   Δh= 0,005 м  

ε = Δm  /  m +  ΔН / Н +  Δh /h = 0,1 / 55 + 0,005 /  1,03 + 0,005 / 1,03  = 0,0113

ΔА = А * ε =  10,78 Дж * 0,0113  = 0,12 Дж

Вывод: Я определила механическую работу при прыжке в высоту и она оказалась равна

А = 10,78 + 0,12  Дж

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБО ТА   № 5

ТЕМА: «Определение механической работы и мощности рук при лазании по канату».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, линейка, секундомер, канат.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим  массу тела m.

2. В спортзале поднимемся по канату без помощи ног и засечем время подъема t.

3. Измерим высоту каната h.

4. Вычислим совершенную механическую работу А = mgh .

5. Вычислим мощность при подъеме N = А / t

Рассчитаем погрешность.

А  зависит от m  и h.

 Δm = 0,1 кг      Δh= 0,005 м  

ε = Δm  /  m +  Δh  / h = 0,1 / 55 + 0,005 /  2,60 = 0,004

ΔА = А * ε =  1401,4 Дж * 0,004  = 5,61 Дж

N  зависит от m, t  и h.

 Δm = 0,1 кг      Δh= 0,005 м   Δt = 0,005 с

ε = Δm  /  m +  Δh  / h  + Δt / t  = 0,1 / 55 + 0,005 /  2,60  + 0,005 / 9,34 = 0,005

ΔN = N * ε =  150,04 Дж * 0,005  = 0,75 Вт

Вывод: Я определила механическую работу  и мощность при подъеме по канату, и они оказалась равны

А = 1401,4 + 5,51 Дж            N = 150,04 + 0,75 Вт

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБО ТА   № 6

ТЕМА: «Определение давления, оказываемого  на пол».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, лист бумаги в «клеточку», карандаш.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим  массу тела m.

2. Обведем подошву своей обуви на листе бумаги

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

S =  (  N 1 + 0,25 * N 2 ) / 4

4. Вычислим давление на пол по формуле  Р = mg / ( 2 * S ) .

Рассчитаем погрешность.

Р  зависит от m  и S.

 Δm = 0,1 кг      ΔS= 0,0001 м 2   

ε = Δm  /  m +  ΔS  / S = 0,1 / 55 + 0,0001 /  0,02028 = 0,0023

ΔР = Р * ε =  13289 Па * 0,0023  = 30,56 Па

Вывод: Я определила давление своего тела на пол,  и оно оказалось равно

Р = 13289 + 30,56  Па            

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБОТА   № 9

ТЕМА: «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 10 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 =   L 3 / ( 8 * π2 )

Рассчитаем погрешность.

V  зависит от L.

 ΔL = 0,01 м        

ε = ΔL /  Lср = 0,01 / 0,4154 = 0,024

Δ V = Vср * ε =  0,896  * 0,0024  = 0,022 л

Вывод: Я определила жизненную емкость своих легких, и она оказалась равна      V = 0,896 + 0,022  л            

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   Проведя рад несложных исследований, я еще больше узнала свой организм. Оказалось, что у меня средние антропометрические показатели (рост  163 см, вес 55 кг), мое тело оказывает на пол давление  около 13,5 кПа, функциональная проба нормальная, что свидетельствует об отсутствии у меня заболеваний. Жизненная емкость моих легких чуть меньше 1 литра. Я определила мощности, развиваемые мною при беге на дистанции 30 метров, приседании, взбегании по лестнице и лазании по канату. Оказалось, что наибольшую мощность я развиваю  при беге, а наименьшую – при лазании по канату. Также я определила механическую работу, совершаемую при прыжке в высоту. Она оказалась на удивление мала, всего 10,78 Дж, так как наибольшая высота планки, которую я могу перепрыгнуть,  составляет 1 м 5 см. Была определена мною и средняя скорость движения из дома к месту стоянки школьного автобуса. Она составила 1,89 м/с или 6,8 км/ч.

В ходе работы над рефератом я не только исследовала свой организм, но и приобрела навыки работы на компьютере. Думаю, что и то и другое поможет мне в дальнейшей учебе по выбранной специальности.