Человек как объект физического познания

  «Логика природы есть самая доступная логика для детей».
К.Д. Ушинский

В наш век, век сплошной компьютеризации, стало всё труднее сохранять интерес обучающихся к «старушке» физики. Всё чаще можно услышать от учеников о непонимании физических теорий, о сложностях, которые они испытывают при решении задач. Для того чтобы поднять престиж и указать на актуальность предмета, я на своих уроках при изучении и применении физических явлений, теорий и законов, использую материал, связанный со строением организма человека и процессах, протекающих в нём. Использование данного подхода уводит обучающихся от абстрактных формулировок физических теорий, законов, в нечто конкретное, близкое. Рассматривая человека, как объект физического познания, у обучающихся формируется целостная картина мира. Наука физика для большинства учеников становится осязаемой, а, следовательно, интересной и актуальной.

Приведу несколько примеров.

При изучении закона сохранения и превращения энергии я всегда подчёркиваю роль учёного Р.Майера, который первый его сформулировал с позиции врача-естествоиспытателя. Внимание его привлекали явления, происходящие в организме человека. Он заметил разницу в цвете венозной крови людей 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, т.е. артериальной и венозной. Как можно объяснить эту разницу? Эта разница в цвете объясняется размером потребления кислорода, или интенсивности процесса сгорания, происходящего в организме. Этот факт привёл Майера к выводу, что «ничего не происходит из ничего и ничто не превращается в ничто и что причина равна действию». Так, в 1841г. Майер высказал основную идею закона сохранения и превращения энергии.

Майер считал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме служат химические процессы, протекающие в нём в результате поглощения кислорода и пищи.

Он первым высказал мнение, что между жизнедеятельностью растений и солнечным светом должна существовать количественная связь, т.е. применил идею закона сохранения энергии к процессу фотосинтеза.

Излагая закон сохранения и превращения энергии, я использую таблицу, в которой приведены примеры превращения одного вида энергии в другой, происходящих в организме человека.

Таблица

Изучая данную таблицу, обучающиеся приходят к выводу, что организм человека, как и любой живой организм, есть открытая термодинамическая система, далёкая от состояния равновесия.

Обучающимся предлагается сделать расчёты энергетических превращений в живом организме и определить коэффициенты полезного действия некоторых биологических процессов.

Например, мы знаем, что работа может совершаться или за счёт изменения внутренней энергии системы, или за счёт сообщения системе некоторого количества теплоты. В живой системе независимо от того, целый это организм или отдельные органы (например, мышцы), работа не может совершаться за счёт притока теплоты извне, т.е. живой организм не может работать как тепловая машина. С помощью расчётов, предлагаю обучающимся убедимся в этом.

Известно, что у тепловой машины КПД = Т₁- Т₂/ Т₁, где Т₁ и Т₂ – соответственно температуры источника теплоты и холодильника в абсолютной шкале температур.

Попытаемся определить температуру мышцы (Т₁), предполагая, что она работает как тепловая машина, при температуре 25° с КПД 30%.

Подставляя в формулу температуру холодильника Т₂ = 298К и предполагая КПД=1/3, получим Т₁- Т₂/ Т₁=1/3, откуда Т₁=447К, или 174°С.

Таким образом обучающиеся приходят к выводу, что если бы мышца работала как тепловая машина, она нагрелась бы в этих условиях до температуры 174°С, что нереально.

Из данных расчётов обучающиеся делают вывод, что в живом организме работа совершается за счёт изменения внутренней энергии системы.

Перед обучающимися встаёт вопрос: «Справедлив ли первый закон термодинамики для биологии?»

Ответом на данный вопрос является опыт Лавуазье и Лапласа, проведённый в 1780 году. Учёные помещали морскую свинку в калориметр и измеряли количество теплоты и углекислого газа, выделенного свинкой. После этого определяли количество теплоты при прямом сжигании исходных продуктов питания. В обоих случаях получились близкие значения. Более точные результаты были получены при измерении количества теплоты углекислого газа, азота и мочевины, выделенных человеком. На основании этих данных вычисляли баланс обмена белков, жиров и углеводов. И здесь совпадения оказались довольно точными.

Результаты исследований Лавуазье и Лапласа послужили созданию целой науки, которая называется калориметрией.

Калометрия – это наука, определяющая энергетический эквивалент продукта питания. Основой для создания этой науки явился закон сохранения энергии.

Например, 3чайные ложки сахара содержат 55,9 ккал. Откуда берётся эта энергия?

Обдумывая данный вопрос, обучающиеся не могут не вспомнить о фотосинтезе, который они изучали на уроках биологии. Ведь при фотосинтезе растения, в данном случае сахарный тростник, поглощают солнечную энергию и синтезируют из простых молекул, большие, богатые энергией молекулы, т.е. энергия солнца передаётся молекулам растения, из которого получают сахар. При попадании в организм молекулы сахара окисляются с выделением энергии.

Обучающиеся приходят к выводу, что человек использует энергию солнца и что вся энергия пищи – это сохранённая энергия света, которую можно рассчитать.

Обучающимся предлагается убедиться в этом, решая следующие задачи:

Задача №1 В 400г сладких кукурузных хлопьях содержится 3 чайные ложки сахара, которые при сгорании выделяют 55,9 ккал теплоты. Сколько воды можно нагреть от 22°С до 99°С при сжигании такого количества сахара?

Задача №2 Напитки для больных диабетом не содержат сахара. В одной бутылке такого напитка содержится всего 6 ккал. Сколько воды можно нагреть от 22°С до 99°С таким количеством тепла?

Задача №3 Предположим, что в жаркий день вы выпили 6 стаканов по 250 г каждый ледяной воды, температура которой равна 0°С. Если температура вашего тела равна 37°С, то сколько будет затрачено тепла на нагрев выпитой воды до этой температуры?

Задача №4 Брикет мороженого содержит на 514 ккал собственно мороженного и на 125 ккал шоколадной глазури. Используя таблицу калорийности, ответьте на следующие вопросы, зная, что 1 кг жировых тканей, отложенных в человеческом теле, содержит 10 000 ккал:

1. Какое количество энергии получит ваш организм, если вы съедите мороженое?
2. На сколько при этом вы прибудете в весе?
3. Что нужно сделать, чтобы избавиться от этого веса?

При изучении электрических явлений в старших классах, я более подробно останавливаюсь на электропроводности отдельных участков тканей и областей организма человека.

Например, электропроводность отдельных участков тканей или областей организма, находящихся между электродами, наложенными на поверхность тела, зависит главным образом от сопротивления слоя кожи и подкожно-жировой клетчатки. Пройдя через этот слой, ток разветвляется и идёт через более глубоко лежащие ткани по путям наименьшего сопротивления. Эти пути лежат вдоль кровеносных и лимфатических сосудов, оболочек нервных стволов и т.д. Пути тока в живом организма могут быть очень сложными.

Напоминаю обучающимся, что основным структурным элементом ткани организма человека является клетка. Слой, прилегающий к клетке, наружный слой протоплазмы, имеет низкую электропроводность, а у остальной части протоплазмы и омывающей клетку тканевой жидкости достаточно высокая проводимость. Такие системы подобны конденсаторам. При прохождении по тканям электрического тока происходят поляризационные явления, например, происходит скопление зарядов (ионов). Это придаёт тканям ёмкостные свойства. Таким образом, эквивалентная схема тканей организма состоит из сопротивлений и конденсатора, включённых последовательно (например, для слоя кожи и подкожной клетчатки) или параллельно (для глубоко лежащих тканей).

Электрический ток, проходя через организм человека, раздражает и возбуждает живые ткани организма. Степень возникающих изменений зависит от силы тока и его частоты:

• ток 1 мА считается безопасным для человека;
• ток 3 мА при частоте 50Гц вызывает лёгкое покалывание в пальцах, прикасающихся к проводнику;
• ток 3-8 мА вызывает раздражающее ощущение во всей кисти руки;
• ток 8-10 мА приводит к непроизвольному сокращению мыщц кисти и предплечья;
• ток 13 мА, это максимальный ток, при котором человек в состоянии освободиться самостоятельно от контакта с электродами. Этот ток называется отпускающим;
• ток 15 мА приобретает такую силу, что разжатие руки становится невозможным. Этот ток называется неотпускающим;
• ток 0,1-0,2 А приводит к беспорядочному сокращению сердечной мышцы, ведущее к гибели человека;
• 12 В, безопасное электрическое напряжение в сыром помещении;
• 36 В, безопасное электрическое напряжение в сухом помещении.

Особо заостряю внимание обучающихся на условия, ослабляющие изолирующую способность кожи (мокрые руки, ранения, большие поверхности контактов), смертельными могут быть напряжения 100-120 В и даже меньше.

Зная о том, что организм человека представляет собой некоторую электрическую систему, для которой справедливы законы электричества, обучающимся предлагается решить задачи.

Задача №1. Рассчитайте полное сопротивление конечности человека переменному току городской сети, если она обладает активным сопротивлением 1000 Ом и ёмкостью 0,001мкФ.

Задача №2. Найдите силу и мощность электрического тока, который пройдёт через организм человека, если он коснётся руками сетевых проводов, находящихся под напряжением 220В.

Задача №3. Почему при электромонтажных работах, производимых под напряжением, необходимо иметь обувь на резиновой подошве и резиновые перчатки?

Задача №4. Что означает эмблема «череп и кости» на трансформаторных будках и столбах высоковольтных линий?

Литература:

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев Физика-10 – М.: Просвещение,
2. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев Физика-11 – М.: Просвещение,
3. Ц.Б. Кац Биофизика на уроках физики – М.: Просвещение, 1988.
4. Г. Роуэлл, С. Герберт Физика – М.: Просвещение, 1994