Урок физики «Законы физики и организм человека»

Открытый  урок. ЗАКОНЫ ФИЗИКИ И ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Интеграция предметов: физика — биология.

Цель урока: Формировать умение применять законы физики для объяснения процессов, протекающих в организме человека.

Задачи:

  • Развивать познавательную активность
  • Повторить разделы физики и биологии.
  • Убедиться в существовании тесной связи между биологией и физикой.
  • Углубить знания , имеющиеся по предметам.

 

Ход урока

Учитель физики.: Все естественные науки используют законы физики. В этом мы убедимся сегодня на уроке. Законы физики едины и применимы к живому организму, в частности к организму человека.

Физические методы исследования ученые применяют в биологии, медицине, бионике. Сегодня на уроке мы изучим небольшой аспект биофизических связей.

Основной закон природы — закон сохранения и превращения энергии. Он применим и для живых организмов. Майер первым его сформулировал с позиций врача-естествоиспытателя.

Какие же превращения энергии происходят в живых организмах (в человеке)?

Ученики.

1)    Химическая энергия в электрическую (нервные клетки).

2)   Звуковая энергия в электрическую (внутреннее ухо).

3)  Световая энергия в электрическую (сетчатка глаза).

4)  Химическая энергия в механическую (мышечные клетки).

5)  Химическая энергия в электрическую (органы вкуса и обоняния).

Учитель физики.  Что является источником энергии при работе мышц человека?

Ученики. Источником энергии при работе мышц являются органические вещества (белки, жиры, углеводы), подвергающиеся в клетках распаду и окислению, в результате чего освобождается скрытая в них внутренняя энергия.

Учитель биологии. Обмен воздуха между легочными пузырьками и внешней средой осуществляется в результате ритмичных дыхательных движений грудной клетки. Объясните, каков механизм процесса дыхания у человека?

Ученики. При вдохе объем грудной клетки и легких увеличивается, при этом давление в них понижается и воздух через воздухоносные пути (нос, горло) входит в легочные пузырьки. При выдохе объем грудной клетки и легких уменьшается, давление в легочных пузырьках повышается и воздух с избыточным содержанием оксида углерода (углекислого газа) выходит из легких наружу.

Учитель физики. Какой же газовый закон физики здесь применим?

Ученики. Здесь проявляет себя закон Бойля—Мариотта, то есть зависимость давления от объема.

Учитель биологии. Одним из основных органов нашего тела является сердце, вернее, сердце-насос. Сердце представляет собой удивительный насос, работающий безостановочно всю жизнь человека. Он прокачивает за 1 с около 0,1 л крови.

Учитель физики. Давайте рассчитаем, сколько литров крови за 1 год прокачивает сердце человека?

Ученики. (решают задачу)

Дано:

T1 = 1 С,

V1 = 0,1 л, Т2 = 1 год=3 • 107 с

V2?

Решение:

1с        —  0,1л

3-107с   — х

= 3∙10 6л

Ответ. х= 3 млн л.

Учитель биологии. Почему при венозном кровотечении кровь вытекает из раны равномерно, а не пульсирует в такт биения сердца?

Ученики. Пульсация крови сглаживается вследствие эластично­сти сосудов и наличия трения.

Учитель биологии. А почему повреждение крупных вен представляет большую опасность для человека, чем повреждение крупной артерии?

Ученики. Давление в крупных венах меньше атмосферного, что является причиной всасывания воздуха и возникновения газовой эмбо­лии при повреждении такого сосуда. В артериях давление превышает атмосферное, поэтому их повреждение не приводит к газовой эмболии.

Учитель биологии. Каков состав крови человека?

Ученики. В состав крови входят: плазма, эритроциты, лейко­циты, тромбоциты.

Учитель биологии. В теле взрослого человека 5 литров крови. Красные кровяные шарики представляют собой диски диа­метром примерно 7∙10-6 м и толщиной 10-6 м. В 1 мм3 крови содер­жится около 5∙106 таких дисков.

Учитель физики. Если в теле взрослого человека 5 л крови, то сколько содержится в ней красных кровяных шариков?

Ученики.

Д а н о:

V=5л,

V1 = 1 мм3 = 10 9 м3

N1= 5-106

_________

N-?

Ответ. N= 25-1012 красных кровяных шариков.

Учитель биологии. Гемоглобин — красящее вещество крови, составная часть красных кровяных телец. Гемоглобин выполняет в орга­низме функцию переносчика кислорода от органов дыхания к тканям.

Учитель физики. Масса молекулы гемоглобина составляет около 11,288 • 10-23 кг. Сколько молекул гемоглобина должно содержать­ся в одном красном кровяном шарике, если плотность гемоглобина 1 кг/м3 и если мы будем считать, что красные кровяные шарики состоят полностью из гемоглобина? Ученики.

Д а н о:

Решение:

1) Объем данной молекулы гемоглобина будет:

3) Рассчитаем объем одного красного кровяного шарика. Так

как красные кровяные тельца представляют собой диски (см. предыдущую задачу),

4) Тогда, чтобы определить число молекул гемоглобина в одном кровяном шарике, надо:

 

Учитель биологии. Объясните механизм процесса движе­ния пищи по пищеводу человека. Какой физический процесс в дан­ном случае наблюдается?

Ученики. Пища, находясь в полости рта человека, проталки­вается в глотку, а затем к пищеводу мышечными сокращениями языка. Затем происходит сокращение мышц пищевода и пища про­ходит в желудок.

Учитель физики. А какова роль слюны в данном процессе?

Ученики. Слюна, обволакивая пищевой ком, делает его сколь­зким, что уменьшает силу трения, возникающую при его движении по пищеводу.

Учитель биологии. В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами (кости конечностей, нижняя челюсть, фаланги пальцев и т.д.).

Учитель физики. Законы равновесия рычага применимы и здесь.

Примером работы рычага является действие стопы при подъеме на полупальцы. Опорой О рычага, через которую проходит ось вра­щения, служат головки плюсневых костей (рисунок).

Преодолевая силу Р (вес всего тела человека), приложенную к таранной кости, мышечная сила F осуществляет подъем тела. Дей­ствие этой силы передается через ахиллово сухожилие, и приложе­на эта сила к выступу пяточной кости.

Учитель биологии. На теле человека можно проследить все виды деформации.

Учитель физики. Каким же видам деформации подвергну­то тело человека?

Ученики.

1)  Деформация сжатия — позвоночный столб, нижние конечно­сти и покровы ступни.

2)     Деформация растяжения — связки, сухожилия, мышцы.

3)   Деформация изгиба — позвоночник, кости таза.

4)   Деформация кручения — шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте.

Учитель физики. На тело человека, площадь поверхности которого при массе 60 кг и росте 160 см примерна равна 1,6 м2, действует атмосферное давление 105 Па. Определите силу, действу­ющую на человека. Ученики.

Дано:,

Р = 105Па                                                      Решение:

 S= 1,6м2

__________                    P=F/S           F = 105 Па ∙1,6м2 = 160000 Н.

F- ?

Ответ. 160 кН.

Учитель биологии каким же образом человеческий орга­низм выдерживает такие огромные нагрузки?

Ученики. Это достигается за счет того, что давление жидко­стей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее давление.

Учитель биологии. Вы знаете, что температура тела челове­ка 36,5°С — это нормальная температура. Для терморегуляции организма важную роль играет потоотделение. Оно обеспечивает постоянство температуры тела человека.

Учитель физики. Испарение — это наиболее легко регули­руемый способ уменьшения внутренней энергии. Какие изменения происходят в характере теплообмена человека с окружающей сре­дой в условиях, когда температура среды выше температуры тела?

Ученики. При высокой температуре окружающей среды (выше 25 °С) 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 и происходит теплоотдача путем конвекции и излучения.

Учитель физики. А если при этом все же не поддерживает­ся тепловой баланс?

Ученики. Если при этом не может поддерживаться тепловой баланс тела, то для сохранения постоянства температуры тела чело­века происходит процесс испарения пота с поверхности кожи. Та­ким путем организм отдает очень большое количество тепла и пре­дохраняется от перегрева.

Учитель биологии. А теперь поговорим о голосовом аппа­рате человека, который состоит из легких, гортани с голосовыми связками, глоточной, ротовой и носовой полости. Голосовые связ­ки являются звукопроизводящими частями голосового аппарата. При спокойном дыхании они вялы и между ними образуется широкая щель для свободного прохода воздуха. При разговоре голосовые связки напрягаются и приближаются друг к другу так, что между ними остается лишь узкий промежуток, так называемая голосовая щель. Когда воздух, выдыхаемый легкими, проходит через эту щель, голосовые связки начинают колебаться, причем частота колебаний может изменяться в зависимости от степени напряжения связок. Изменяя форму резонатора (рта, языка, губ), мы можем произно­сить тот или иной звук.

Учитель физики. Частота колебания голосовых связок муж­чины, говорящего басом, изменяется в пределах от 80 до 350 Гц. Какова длина излучаемой звуковой волны?

Ученики.

Дано:

υ= 330 м/с, v = 80 Гц, ν = 350 Гц

Решение: λ= v∙  ν ;

Ответ. λ1 = 4 м, λ2 = 0,9 м.

Учитель биологии. Слуховой аппарат человека состоит из звукопроводящей и звуковоспринимающей частей. Назовите дета­ли этих частей.

Ответ. Звукопроводящая часть состоит из наружного слухово­го прохода, барабанной перепонки и связанных с ней трех сочле­ненных между собой слуховых косточек: молоточка, наковальни и стремечка, которые расположены в полости, называемой средним ухом. Стремечко связано с внутренним ухом, представляющим со­бой звуковоспринимающий аппарат.

Учитель биологии. Звуковые волны, достигающие уха че­ловека, действуют на барабанную перепонку и через цепь слуховых косточек передаются основной мембране внутреннего уха. Звуко­вые колебания, достигая основной мембраны и расположенного на ней кортиева органа, приводят их в колебания с соответствующей частотой и амплитудой. Возникающие при этом нервные импульсы  передаются в центральную нервную систему.

Учитель физики. Звуковое давление порядка 2 • 10-5 Н/м2 является порогом слышимости, сила звука при этом равна 10-12 Вт/м2. Если человек разговаривает вполголоса, то звуковое давление со­ставляет 2-10-3 Н/м2, а сила звука 10-8 Вт/м2. Болевые ощущения вызывает звуковое давление 62,5 Н/м2 и сила звука 100 Вт/м2.

Учитель физики. А теперь поговорим о другом важном орга­не — глазе. Действие электромагнитного излучения определенной длины волны на светочувствительные элементы сетчатки глаза вы­зывает ощущение света.

Учитель биологии. Сетчатка глаза состоит из светочувстви­тельных клеток (палочек и колбочек). Колбочки сосредоточены в центральной части сетчатки, палочки расположены в перифериче­ских частях сетчатки. Палочки более светочувствительны, а кол­бочки создают ощущение цвета.

Учитель физики. Фокусное расстояние глаза человека 16 мм. Какова оптическая сила глаза?

Ученики.

Дано: = 16 мм = 0,016 мм

D=?

Решение:

Ответ. D = 63 дптр.

Учитель физики. Чувствительность глаза к излучению раз­личной длины волны различна. Наиболее чувствителен глаз к излу­чению с длиной волны 0,5 мкм, что соответствует желто-зеленому цвету. Чувствительность его резко снижается в сторону красной и фиолетовой частей спектра.

Учитель физики. Тренированный глаз, длительно находя­щийся в темноте, воспринимает свет с длиной волны 0,5 мкм при мощности 2,1 • 10-17 Вт. А сколько фотонов попадает в этом случае на сетчатку глаза за 1 секунду мы сможем рассчитать после изучения темы «Квантовая физика»?

 

Учитель физики.

Как вы думаете, для чего сегодня мы проводим такой урок?

Сегодня на уроке мы еще раз убедились в том, что существует тесная связь физики и биологии.

 

Домашнее задание

  1. Предложить для рассмотрения другие аспекты биофизических связей.
  2. Составить другие задачи на рассмотренные связи законов физики и биологии.
  3. Привести примеры связи химии и организма человека.

 

 

Литература:

  1. Л.А. Горлова «Интегрированные уроки физики»,- М., «Вако», 2009
  2. С.А. Тихомирова, Б. М. Яворский Физика 11,-М.: Мнемозина, 2010г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1мм= 10-3 м

1мм2 =10-6 м2

1мм3 =10-9 м3

1л = 10-3 м3

P∙V = P1V1    Т= const

Р=   давление твердого тела

λ= υ∙Т   длина волны        Т=

D =  оптическая сила линзы

V =πr2 h объем цилиндра

m = ρ∙V

 

1мм= 10-3 м

1мм2 =10-6 м2

1мм3 =10-9 м3

1л = 10-3 м3

P∙V = P1V1    Т= const

Р=   давление твердого тела

λ= υ∙Т   длина волны        Т=

D =  оптическая сила линзы

V =πr2 h объем цилиндра

m = ρ∙V

 

1мм= 10-3 м

1мм2 =10-6 м2

1мм3 =10-9 м3

1л = 10-3 м3

P∙V = P1V1    Т= const

Р=   давление твердого тела

λ= υ∙Т   длина волны        Т=

D =  оптическая сила линзы

V =πr2 h объем цилиндра

m = ρ∙V

 

1мм= 10-3 м

1мм2 =10-6 м2

1мм3 =10-9 м3

1л = 10-3 м3

P∙V = P1V1    Т= const

Р=   давление твердого тела

λ= υ∙Т   длина волны        Т=

D =  оптическая сила линзы

V =πr2 h объем цилиндра

m = ρ∙V

 

1мм= 10-3 м

1мм2 =10-6 м2

1мм3 =10-9 м3

1л = 10-3 м3

P∙V = P1V1    Т= const

Р=   давление твердого тела

λ= υ∙Т   длина волны        Т=

D =  оптическая сила линзы

V =πr2 h объем цилиндра

m = ρ∙V

 

1мм= 10-3 м

1мм2 =10-6 м2

1мм3 =10-9 м3

1л = 10-3 м3

P∙V = P1V1    Т= const

Р=   давление твердого тела

λ= υ∙Т   длина волны    Т=

D =  оптическая сила линзы

V =πr2 h объем цилиндра

m = ρ∙V

 

 

Комментировать

Я в интернете
nsportal
nsportal
Мы в контакте
Календарь
Июль 2018
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Янв    
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031