Людина як об’єкт фізичного пізнання

«Логіка природи є найдоступніша логіка для дітей».
К.Д. Ушинський

У наше століття, століття суцільної комп'ютеризації, стало все важче зберігати інтерес учнів до «старенькій» фізики. Все частіше можна почути від учнів про нерозуміння фізичних теорій, про складнощі, які вони відчувають при вирішенні завдань. Для того щоб підняти престиж і вказати на актуальність предмета, я на своїх уроках при вивченні і застосуванні фізичних явищ, теорій і законів, використовую матеріал, пов'язаний з будовою організму людини і процеси, що протікають в ньому. Використання даного підходу веде учнів від абстрактних формулювань фізичних теорій, законів, в щось конкретне, близьке. Розглядаючи людини, як об'єкт фізичного пізнання, в учнів формується цілісна картина світу. Наука фізика для більшості учнів стає відчутною, а, отже, цікавою і актуальною.

Наведу кілька прикладів.

Він першим висловив думку, що між життєдіяльністю рослин і сонячним світлом повинна існувати кількісний зв'язок, тобто застосував ідею закону збереження енергії до процесу фотосинтезу.

Викладаючи закон збереження і перетворення енергії, я використовую таблицю, в якій наведено приклади перетворення одного виду енергії в інший, що відбуваються в організмі людини.

Органи смаку та нюху

Вивчаючи цю таблицю, які навчаються приходять до висновку, що організм людини, як і будь-який живий організм, є відкрита термодинамічна система, далека від стану рівноваги.

Навчаються пропонується зробити розрахунки енергетичних перетворень в живому організмі і визначити коефіцієнти корисної дії деяких біологічних процесів.

Наприклад, ми знаємо, що робота може відбуватися або за рахунок зміни внутрішньої енергії системи, або за рахунок повідомлення системі деякої кількості теплоти. У живій системі незалежно від того, цілий це організм або окремі органи (наприклад, м'язи), робота не може відбуватися за рахунок припливу теплоти ззовні, тобто живий організм не може працювати як теплова машина. За допомогою розрахунків, пропоную навчаються переконаємося в цьому.

Відомо, що у теплової машини ККД = Т1 - Т2 / Т1. де Т1 і Т2 - відповідно температури джерела теплоти і холодильника в абсолютній шкалі температур.

Спробуємо визначити температуру м'язи (Т1), припускаючи, що вона працює як теплова машина, при температурі 25 ° з ККД 30%.

Підставляючи в формулу температуру холодильника Т2 = 298К і припускаючи ККД = 1/3, отримаємо Т1 - Т2 / Т1 = 1/3, звідки Т1 = 447К, або 174 ° С.

Таким чином навчаються приходять до висновку, що якби м'яз працювала як теплова машина, вона нагрілася б в цих умовах до температури 174 ° С, що нереально.

З даних розрахунків навчаються роблять висновок, що в живому організмі робота здійснюється за рахунок зміни внутрішньої енергії системи.

Перед учнями постає питання: «Чи справедливий перший закон термодинаміки для біології?»

Відповіддю на це питання є досвід Лавуазьє і Лапласа, проведений в 1780 році. Вчені поміщали морську свинку в калориметр і вимірювали кількість теплоти і вуглекислого газу, виділеного свинкою. Після цього визначали кількість теплоти при прямому спалюванні вихідних продуктів харчування. В обох випадках вийшли близькі значення. Більш точні результати були отримані при вимірюванні кількості теплоти вуглекислого газу, азоту і сечовини, виділених людиною. На підставі цих даних обчислювали баланс обміну білків, жирів і вуглеводів. І тут збіги виявилися досить точними.

Результати досліджень Лавуазьє і Лапласа послужили створенню цілої науки, яка називається калориметрією.

Калометрія - це наука, яка визначає енергетичний еквівалент харчового продукту. Основою для створення цієї науки з'явився закон збереження енергії.

Наприклад, 3чайние ложки цукру містять 55,9 ккал. Звідки береться ця енергія?

Обдумуючи це питання, які навчаються не можуть не згадати про фотосинтезі, який вони вивчали на уроках біології. Адже при фотосинтезі рослини, в даному випадку цукрова тростина, поглинають сонячну енергію і синтезують з простих молекул, великі, багаті енергією молекули, тобто енергія сонця передається молекулам рослини, з якого отримують цукор. При попаданні в організм молекули цукру окислюються з виділенням енергії.

Ті, що навчаються приходять до висновку, що людина використовує енергію сонця і що вся енергія їжі - це збережена енергія світла, яку можна розрахувати.

Навчаються пропонується переконатися в цьому, вирішуючи такі завдання:

Завдання №1 В 400г солодких кукурудзяних пластівцях міститься 3 чайні ложки цукру, які при згорянні виділяють 55,9 ккал теплоти. Скільки води можна нагріти від 22 ° С до 99 ° С при спалюванні такої кількості цукру?

Завдання №2 Напої для хворих на діабет не містять цукру. В одній пляшці такого напою міститься всього 6 ккал. Скільки води можна нагріти від 22 ° С до 99 ° С такою кількістю тепла?

Завдання №3 Припустимо, що в жаркий день ви випили 6 склянок по 250 г кожен крижаної води, температура якої дорівнює 0 ° С. Якщо температура вашого тіла дорівнює 37 ° С, то скільки буде витрачено тепла на нагрів випитої води до цієї температури?

Завдання №4 Брикети морозива містить на 514 ккал власне морозива і на 125 ккал шоколадної глазурі. Використовуючи таблицю калорійності, дайте відповідь на наступні питання, знаючи, що 1 кг жирових тканин, відкладених в людському тілі, містить 10 000 ккал:

Яка кількість енергії отримає ваш організм, якщо ви з'їсте морозиво?
На скільки при цьому ви приїдете в вазі?
Що потрібно зробити, щоб позбутися від цієї ваги?

При вивченні електричних явищ в старших класах, я більш детально зупиняюся на електропровідності окремих ділянок тканин і областей організму людини.

Наприклад, електропровідність окремих ділянок тканин або областей організму, що знаходяться між електродами, накладеними на поверхню тіла, залежить головним чином від опору шару шкіри і підшкірно-жирової клітковини. Пройшовши через цей шар, ток розгалужується і йде через більш глибоко лежачі тканини по шляхах найменшого опору. Ці шляхи лежать уздовж кровоносних і лімфатичних судин, оболонок нервових стовбурів і т.д. Шляхи струму в живому організму можуть бути дуже складними.

Нагадую які навчаються, що основним структурним елементом тканини організму людини є клітина. Шар, що прилягає до клітки, зовнішній шар протоплазми, має низьку електропровідність, а у решти протоплазми і омиває клітину тканинної рідини досить висока провідність. Такі системи подібні конденсаторів. При проходженні по тканинах електричного струму відбуваються поляризаційні явища, наприклад, відбувається накопичення зарядів (іонів). Це надає тканинам ємнісні властивості. Таким чином, еквівалентна схема тканин організму складається з опорів і конденсатора, включених послідовно (наприклад, для шару шкіри і підшкірної клітковини) або паралельно (для глибоко лежачих тканин).

Електричний струм, проходячи через організм людини, дратує і збуджує живі тканини організму. Ступінь виникаючих змін залежить від сили струму і його частоти:

ток 1 мА вважається безпечним для людини;
ток 3 мА при частоті 50Гц викликає легке поколювання в пальцях, торкаються до провідника;
ток 3-8 мА викликає подразнюючу відчуття у всій кисті руки;
ток 8-10 мА призводить до мимовільного скорочення м'язів кисті та передпліччя;
ток 13 мА, це максимальний струм, при якому людина в змозі звільнитися самостійно від контакту з електродами. Цей струм називається відпускати;
ток 15 мА набуває таку силу, що разжатие руки стає неможливим. Цей струм називається неминучий;
ток 0,1-0,2 А призводить до безладного скорочення серцевого м'яза, що веде до загибелі людини;
12 В, безпечне електрична напруга в сирому приміщенні;
36 В, безпечне електрична напруга в сухому приміщенні.

Особливо загострюю увагу учнів на умови, що ослабляють ізолюючу здатність шкіри (мокрі руки, поранення, великі поверхні контактів), смертельними можуть бути напруги 100-120 В і навіть менше.

Знаючи про те, що організм людини являє собою деяку електричну систему, для якої справедливі закони електрики, які навчаються пропонується вирішити завдання.

Завдання №1. Розрахуйте повний опір кінцівки людини змінному струмі міської мережі, якщо вона володіє активним опором 1000 Ом і ємністю 0,001мкФ.

Завдання №2. Знайдіть силу і потужність електричного струму, який пройде через організм людини, якщо він торкнеться руками мережевих дротів, що знаходяться під напругою 220В.

Завдання №3. Чому під час електромонтажних робіт, вироблених під напругою, необхідно мати взуття на гумовій підошві і гумові рукавички?

Завдання №4. Що означає емблема «череп і кістки» на трансформаторних будках і стовпах високовольтних ліній?