ЗАКОНЫ ФИЗИКИ И ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА - 11 класс

Интеграция предметов: физика — биология.

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.

Дано:

Решение:

Ответ. V = 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.

Дано:

Решение:

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 6,8 · 10⁴ а.е.м. 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? (1 а.е.м. = 1,66 · 10^-27 кг).

Ученики.

Дано:

Решение:

1) Определим массу молекулы гемоглобина в килограммах:

2) Объем данной молекулы гемоглобина будет:

3) Рассчитаем объем одного красного кровяного шарика. Так как красные кровяные тельца представляют собой диски (см. предыдущую задачу), то:

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

Ответ. N ≈ 3,4 · 10⁵.

Учитель биологии. Разность электрических потенциалов, возникающих в клетках, тканях и органах живого организма, называют биопотенциалами. Биопотенциалы имеют ионную природу и возникают вследствие разности концентраций положительных и отрицательных ионов внутри и снаружи клетки. Биопотенциалы отдельных клеток, входящих в состав определенной клетки или организма, суммируясь, образуют результирующую разность потенциалов. Биопотенциалы очень точно отражают функциональное состояние органов и тканей.

Учитель биологии. Средняя плотность нервных клеток по всему мозгу в целом, по самым грубым подсчетам, находится в пределах 10¹³— 10¹⁴ клеток на 1 дм³, а в отдельных центрах она составляет 10²⁰ клеток на 1 дм³. Кроме того, надо иметь в виду, что живая клетка как функциональный элемент эквивалентна тысячам и даже десяткам тысяч радиоэлектронных элементов.

Учитель физики. Рассмотрим жировую (миелиновую) оболочку нерва в качестве плоского конденсатора с площадью обкладок 1 см², толщиной 2 мкм и Е = 49. Рассчитайте его электроемкость.

Ученики.

Дано:

Решение:

Ответ. С ≈ 22 пФ.

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 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 /'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. Мышечная ткань имеет среднее значение модуля Юнга (модуль упругости) 0,8 · 10⁷ Н/м², а предел прочности на растяжение 0,05 Н/м². Определить абсолютное удлинение мышцы ноги, начальная длина которой 40 см.

Ученики.

Дано.

Решение:

Ответ. Δl = 0,24 · 10^-8 м.

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.

Решение:

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.

Решение:

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:

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. Сколько фотонов попадает в этом случае на сетчатку глаза за 1 секунду?

Ученики.

Дано:

Решение:

Е₀ = hv — энергия одного фотона

Тогда

Ответ. N = 53 фотона.

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

Домашнее задание

Вода в капиллярной трубке радиусом 0,2 мм поднялась на высоту 7,2 см, а желчь в трубке радиусом 0,25 мм — на высоту 3,73 см. Во сколько раз коэффициент поверхностного натяжения воды больше, чем желчи, если плотность этих веществ примерно одинакова.

Ответ. ≈ 1,6 раза.