Измерение плотности тела человека
проект по физике (7, 8, 9 класс) по теме

Содержание

Введение

Физика - наука экспериментальная, и выполнение практических и лабораторных работ вызвало у нас большой интерес к познанию окружающего мира и самих себя. Человек является одним из объектов изучения физики и порой возникает необходимость знать параметры человека, например, объем тела и его плотность.

Цель исследования: определить плотность человека и узнать от чего она зависит.

Задачи:

1. Узнать определение понятия «плотность» и познакомиться с расчетной формулой ее нахождения.

2. Изучить методы определения плотности тела человека;

3. Экспериментально найти значение плотности человеческого тела людей различного возраста и пола всеми доступными способами;

4. Определить факторы, влияющие на значение плотности;

Актуальность данной работы состоит в том, что данная проблема имеет место не только в курсе физике, а напрямую относится к жизни людей.

Глава 1 Плотность вещества

1. 1 Плотность как физическая величина

Тела, изготовленные из различных веществ, при одинаковой массе имеют разные объемы. Железный брус массой 1 т имеет объем 0,13 м3, а лед массой 1 т – объем 1,1 м3, т.е. почти в 9 раз больше.

Из этих примеров можно сделать и такой вывод, что тела объемом 1 м3 каждое, изготовленные из различных веществ, имеют разные массы. Железо объемом 1м3  имеет массу 7800 кг, а лед того же объема – 900 кг, т.е. почти в 9 раз меньше.

Это различие объясняется тем, что различные вещества имеют разную плотность.

Плотность показывает, чему равна масса вещества, взятого в объеме 1 м3.

Плотность – физическая величина, характеризующая свойство тел равного объема иметь разную массу.

Чтобы определить плотность вещества, надо массу тела разделить на его объем.

Следовательно, плотность есть физическая величина, равная отношению массы тела к его объему.

Единицей плотности вещества является 1 кг/м3 . Это плотность однородного вещества, масса которого равна 1 кг при объеме 1 м3.

Зависимость плотности от температуры

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, но есть вещества, чья плотность ведет себя иначе, например, вода, бронза и чугун.

Самую большую плотность во Вселенной имеют черные дыры (ρ ~ 1014 кг/м³) и нейтронные звезды (ρ ~ 1018 кг/м³). Самую низкую плотность имеет межгалактическая среда (ρ ~ 10-33 кг/м³)

Средняя плотность тел:

Межгалактическая среда- 5·10-33 кг/м³

Межзвездная среда-  10−21 кг/м³

Солнце – 1500 кг/м3

Земля – 5520 кг/м3 

Атомное ядро – 2∙1017 кг/м3 

Нейтронная звезда – 1018 кг/м3

В астрономии большое значение имеет средняя плотность небесных тел, по ней можно приблизительно определить состав этого тела.

1.2 Методы измерения плотности тела

Как рассчитать плотность какого-либо вещества? Для этого нужно знать объем тела и массу тела. То есть, мы измеряем вещество, взвешиваем, а потом полученные данные просто подставляем в формулу и находим нужное нам значение. А в чем измеряется плотность вещества понятно из формулы. Измеряется она в килограммах на метр кубический.

Еще следует помнить, что плотность вещества различна в разных агрегатных состояниях. То есть в твердом, жидком или газообразном. Плотность твердых тел, чаще всего, выше плотности жидкостей и намного выше плотности газов. Пожалуй, очень полезное для нас исключение – это вода, которая, как мы уже рассматривали, в твердом состоянии весит меньше, чем в жидком. Именно вследствие этой странной особенности воды на Земле возможна жизнь. Жизнь на нашей планете, как известно, произошла из океанов. А если бы вода вела себя, как и все остальные вещества, то вода в морях и океанах промерзла бы насквозь, лед, будучи тяжелее воды, опустился бы на дно и лежал там, не тая. И только на экваторе в небольшой толще воды существовала бы жизнь в виде нескольких видов бактерий. Так что можно сказать спасибо воде за то, что мы существуем.

Существуют следующие методы измерения плотности:

Метод Менделеева

Метод Менделеева (метод взвешивания). На одну чашку весов кладется гиря с массой заведомо большей, чем масса тела, а на другую — разновесы, добиваясь равновесия весов. Затем на чашку с разновесами помещают взвешиваемое тело, а разновесы снимают до тех пор, пока вновь не установится равновесие. Масса снятых гирь будет равна массе тела. Этот метод позволяет исключить систематические погрешности, связанные с неравноплечностью весов и зависимостью их чувствительности от величины нагрузки.

Метод безразличного плавания

«…Если вес тела в точности равен весу вытесненной жидкости, оно будет находиться в равновесии внутри жидкости. Например, куриное яйцо тонет в пресной воде, но плавает в соленой. Можно сделать раствор соли, концентрация которого постепенно уменьшается кверху, так что выталкивающая сила внизу сосуда больше, а вверху – меньше веса яйца. В таком растворе яйцо держится на такой глубине, где его вес равен выталкивающей силе. Если твердое тело однородно, т.е. во всех точках имеет одну и ту же плотность, то тело будет тонуть, всплывать или оставаться в равновесии внутри жидкости в зависимости от того, больше ли плотность тела плотности жидкости, меньше или равна ей. В случае неоднородных тел нужно сравнивать с плотностью жидкости среднюю плотность тела».

Этот метод применяется в лабораторной практике при определении, например, плотности мелких кристаллов в достаточно широких пределах.

Метод Архимеда

Метод Архимеда, опустив тело в воду, по объему вытесненной воды определяем объем тела, взвешиванием   на весах, находим массу и по формуле  вычисляем плотность. В нашей проектной работе мы будем использовать данный метод.

1.3 Историческая справка

Интересные обстоятельства предшествовали открытию закона Архимеда, который прославил ученого на все времена. «Эврика!», – восклицает каждый, находя решение трудной задачи, а ведь этому предшествует целая история.

Архимед служил при дворе Гиерона II – тирана Сиракуз, который правил в 270-215 годах до нашей эры, а с 269 года до нашей эры носил титул царя. Гиерон слыл коварным, жадным и подозрительным правителем.

Он подозревал своих ювелиров в том, что при изготовлении золотых изделий они подмешивают в золото серебро или хуже того олово к благородному металлу, что и послужило причиной открытия одного из физических законов. Он поручил Архимеду изобличить мастеров-ювелиров, так как он был уверен, что при изготовлении для него короны ювелиры украли золото.

Для решения этой сложной задачи необходимо знать не только массу, но и определить объём изготовленной короны, а это было самым сложным, чтобы в дальнейшем вычислить плотность металла. Корона имеет сложную и неправильную геометрическую форму, определить её объём - очень не простая задача, над решением которой долгое время размышлял Архимед.

Решение было найдено Архимедом оригинальным способом, когда он погружался в ванну – уровень воды резко поднялся, после того когда он погрузился в воду. Тело учёного вытеснило равный ему объём воды. «Эврика!» - воскликнул Архимед и побежал во дворец, как утверждает легенда, не одевшись. Дальше всё было просто. Он погрузил корону в воду, измерил объём вытесненной жидкости и таким образом определил объём короны.

Благодаря этому Архимедом и был открыт принцип или, как его ещё называют, закон плавучести. Твердое тело, погружённое в жидкость, вытеснит объем жидкости, равный объему погруженного в жидкость тела. В воде может плавать любое тело, если его средняя плотность меньше плотности той жидкости, в которую его поместили.

Закон Архимеда гласит: на всякое тело, которое погружено в жидкость или в газ, действуют выталкивающие силы, направленные вверх и равные весу вытесненной им жидкости или газа.

До настоящего времени человечество успешно применяет знания, полученные от далёких предков во многих областях своей деятельности.

Глава 2. Измерение плотности человеческого тела

2.1 Расчет средней плотности человеческого тела

Чтобы вычислить плотность, нужно знать массу тела и объем.

Плотность вычисляется по уже известной нам формуле ρ=m/V.  

Предположим, у нас имеется испытуемый, массу которого мы измерим с помощью напольных весов. Масса оказалась равна 59 кг.

Объем тела можно найти несколькими способами.

1 способ.  Воспользуемся фактом, который отметил еще Архимед: погрузившись полностью в ванну, человек вытеснит по объему воды ровно столько, каков объем его тела.

Заметим уровень воды в ванне до и после погружения. Отметки сделаем цветным мелком.

Затем определим объем воды между этими двумя уровнями, подсчитав, сколько литровых банок воды необходимо вылить в ванну, чтобы вода поднялась от первого отмеченного нами уровня до второго. Проделав этот эксперимент, мы узнали, что объем тела исследуемого человека V1  равен 57 литровых банок,  т. е. 57 литров или 0.057 м3.

2 способ. Заметить по часам, за сколько времени струя воды из крана наполняет одну литровую банку и сколько времени эта же струя воды будет наполнять ванну до верхнего отмеченного уровня.

В нашем эксперименте получилось, что литровая банка наполняется водой за 12с, а время, за которое вода наливается равняется 700с. По этим данным определим объем тела V2 = 700:12 = 58,3 литра или 0.0583 м3.

Найдём среднее значение объёма тела человека:

Вычислим плотность:

Полученные данные сведем в таблицу:

По таблице плотностей плотность воды равна 1000кг/м3. У нас получилась плотность человека, равная 1022 кг/м3

Оказывается средняя плотность человеческого тела немного больше плотности воды (и почти равна плотности морской воды). Это и является причиной того, что человек довольно легко может держаться на воде, так как тело, имеющие плотность такую же, как и плотность жидкости, плывет в ней.

2.2 Зависимость плотности от различных факторов

Плотность тела у каждого человека носит индивидуальный характер. Проведенный нами анализ различных источников  позволил сделать вывод о том, что плотность тела человека зависит от возраста, пола, телосложения и наследственных признаков. Было также обнаружено, что у людей пенсионного возраста плотность тела меньше, чем у школьников.

Плотность тканей организма человека

Зависимость плотности от возраста также можно проследить. Из таблицы видно, что самую большую плотность в организме человека имеют кости. С возрастом же кости человека теряют кальций и поэтому становятся легче, за счет чего и уменьшается значение плотности тела.

Плотность тела зависит от пола. Значения плотности у мужчин примерно одинаковы и совпадают с табличным значением представленном во многих справочниках  (1070кг/м3). Значения плотностей тел у женщин различны и изменяются в широком диапазоне от 1,01 до 1,1г/см3.

 Плотность тела также зависит от возраста, причём самая благоприятная ситуация у подростков 13-14 лет, среднее значение плотности тела у них равно 1070кг/м3, что совпадает с табличным значением плотности тела человека. Данный факт позволяет говорить о нестабильном значении плотности человеческого тела. У детей младшего возраста 4-6 лет плотность еще меньше, т.к. кости еще имеют частичную хрящевую структуру.

Заключение

Оказывается, плотность тела человека (и животных) почти совпадает с плотностью воды.

Плотность зависит от комплекции человека. Чем больше объем тела и меньше его масса, тем плотность тела больше. Чем больше объем тела и больше масса тела человека, тем меньше его плотность. У худых людей плотность больше, чем у полных.

На поверхности нашей планеты с большим количеством водоёмов живые существа с плотностью, большей плотности воды, не могли бы плавать, и погибли бы, попав в любую подходящих размеров впадину с водой.

Так что, значение Нашей плотности – результат эволюции!