Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 4 им. В.В.Бианки»
города Бийска Алтайского края
Программа
элективного курса по физике
«Физика. Человек. Здоровье»
для учащихся 9-х классов
учитель физики МБОУ «СОШ № 4 им. В.В.Бианки»
г. Бийска Алтайского края
Бийск
2012-2013
Пояснительная записка
к программе элективного курса по физике
«Физика. Человек. Здоровье»
Элективный курс «Физика. Человек. Здоровье»
предусматривает углубление и расширение тем базовой программы по физике и предназначен для учащихся 9-х классов, выбирающих дальнейший естественнонаучный профиль обучения и строящих дальнейшую собственную образовательную траекторию в области политехнических наук.
Элективный курс является частью учебного плана МБОУ «Средней общеобразовательной школы № 4 имени В.В. Бианки» и отражает методику реализации программ учебных курсов и дисциплин с учетом:
требований федеральных компонентов государственных образовательных стандартов;
обязательного минимума содержания образовательных программ;
максимального объема учебного материала для учащихся;
требований к уровню подготовки выпускников;
объема часов учебной нагрузки, определенного учебным планом школы.
Курс рассчитан на 35 часов (1 урок в неделю).
Актуальность и новизна
В курсе физики, изучаемой в современной школе, практически не уделяется внимания на физические параметры, характеризующие человека. Однако, в связи с моделированием процессов, происходящих в живых организмах, в технике, развитием такой современной науки как бионика, у учащихся все чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека.
С другой стороны, даже в обычной городской поликлинике каждый человек сталкивается с большим числом физических методов исследования своего организма. Например, измеряется кровяное давление, регистрируются биопотенциалы сердца, проводятся физиотерапевтические лечения заболеваний с применением различной аппаратуры, вырабатывающей широкий спектр электромагнитных излучений.
Во многих семьях появились медицинские приборы, позволяющие самостоятельно проводить небольшие диагностические исследования собственного организма (определение давления, сахара в крови человека и др.).
Программа данного элективного курса позволит учащимся значительно расширить свои знания в области физики человека за счет изучения отдельных процессов, происходящих в живых организмах на основе физических законов. Поможет установить причинно-следственные связи, существующие в живой и неживой природе, сформирует интерес не только к физике, но и к другим наукам, в частности, биологии.
Элективный курс так же ориентирует учащихся на создание здоровьеохранного пространства ученика, которое является выражением гармонического взаимодействия всех его органов и систем, динамического уравновешивания с окружающей средой и проявляется в состоянии комфортного самочувствия. Позволит раскрыть некоторые методы здоровьесберегающих процессов, способных поддерживать организм и ответственно относиться к собственному здоровью, использовать личностные ресурсы.
Программа составлена таким образом, что в ходе изучения данного курса учащиеся не только удовлетворят свои образовательные потребности, но и получат навыки исследовательской деятельности, познакомятся с краткими данными о медицинской и биологической аппаратуре, расширят компетенции в вопросах профессионального самоопределения, сформируют учебную мотивацию для более осмысленного изучения физики в дальнейшем.
Это позволит расширить каждому ученику базовые компетентности современного человека: информационную (умение искать, анализировать, преобразовывать, применять информацию для решения проблем); коммуникативную (умение сотрудничать с другими людьми); самоорганизацию (умение ставить цели, планировать, ответственно относиться к здоровью); самообразование (готовность конструировать и осуществлять собственную образовательную траекторию на протяжении всей жизни).
При изучении данного элективного курса появляется возможность реализации современной тенденции образования, заключающейся в том, что усвоение предметного содержания из цели образования превращается в средство такого эмоционального, социального и интеллектуального развития школьника, которое обеспечивает переход от обучения к самообразованию.
Система и форма занятий подобраны таким образом, что окажет помощь в решении стоящей на современном этапе перед учителем проблемы: научить ребенка таким технологиям познавательной деятельности, умению осваивать новые знания в любых формах и видах, чтобы он мог быстро, а главное качественно обрабатывать получаемую им информацию. Затем применять ее на практике при решении различных видов задач (и заданий), почувствовать личную ответственность и причастность к процессу учения, готовить себя к дальнейшей практической работе и продолжению образования.
Элективный курс так же ориентирует на обеспечении права выбора каждым учеником профессионального самоопределения и своего дальнейшего образовательного и профессионального пути.
При проведении занятий темы курса можно комбинировать с темами биологии и анатомии человека, но главной предметной областью является физика.
Цели и задачи элективного курса. Ожидаемые результаты.
Основные цели курса:
Создание ориентационной и мотивационной основы для осознанного выбора естественнонаучного профиля, чтобы ученик утвердился в сделанном им выборе дальнейшего обучения или отказался от него;
Ознакомление с основными методами применения физических законов в медицине, развитие познавательного интереса к современной медицинской технике;
Показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму, перспективное развитие науки и техники, а так же показать, в каких сферах профессиональной деятельности им пригодятся полученные знания;
Развивать познавательную активность и самостоятельность, стремление к саморазвитию и самосовершенствованию;
Рассмотреть индивидуальные траектории валеологических аспектов сохранения собственного здоровья, как одного из условий повышения качества образования.
Данный элективный курс решает следующие задачи:
углубление знаний о материальном мире и методах научного познания природы, неотъемлемой частью которой является сам человек;
развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся в процессе практического применения знаний, умений и навыков по физике, самостоятельного приобретения знаний с использованием различных источников информации;
через развитие интереса к предмету повлиять на выбор учениками сферы профессиональной деятельности, способствовать формированию внутренней мотивации к реализации выбора в дальнейшем обучении;
создание условий для формирования и развития у обучающихся творческих способностей, умения работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения, интереса к изучению физики и проведению физического эксперимента.
Ожидаемыми результатами данного элективного курса являются:
получение представления о широком спектре физических явлений и законов, благодаря которым нормально функционирует здоровый организм человека;
воспитание культуры сохранения собственного здоровья, пропаганда здорового образа жизни;
знакомство с некоторыми медицинскими приборами, которые используются для диагностики и лечения различных заболеваний;
развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей, коммуникативных качеств;
сознательное самоопределение ученика относительно профиля дальнейшего обучения.
По окончании изучения курса учащиеся должны знать:
Физические законы, которые можно использовать при объяснении процессов, происходящих внутри организма человека;
Особенности своего организма с точки зрения законов физики;
Медицинские аппараты, необходимые человеку для определения самочувствия и оказания самостоятельной помощи собственному организму.
По окончании изучения курса учащиеся должны уметь:
Работать с различными приборами, источниками, самостоятельно искать и приобретать новые знания, анализировать и оценивать новую информацию;
Моделировать явления, отбирать нужные приборы, выполнять и их помощью измерения, работать в соответствии с инструкцией;
Представлять информацию в виде таблиц, графиков, небольших проектов;
Обсуждать результаты деятельности, делать выводы, участвовать в дискуссии;
Ответственно относиться к собственному здоровью и научиться навыкам его укрепления и сохранения.
Учебно-тематическое планирование.
Курс построен с опорой на знания, умения и навыки по физике, полученные учащимися в основной школе, практический опыт с элементами опережающего обучения. Но содержание курса качественно отличается от базового курса физики. На уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Однако очень важно, чтобы у учащихся постепенно складывались убеждения в том, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, а так же внутри организма человека, взаимосвязаны.
Тема
Кол-во
часов
Лекции
Практика
Семинары
Введение
Антропометрия и физика.
Определение параметров тела человека
3-4.
Зрение. Глаз как оптическая система.
Недостатки зрения и их устранение.
6-7.
Рычаги в организме человека.
Простые механизмы в ортопедии.
Равновесие человека.
Давление крови и аппараты для его измерения.
Течение крови и лимфы по сосудам.
Физические основы в кардиологии
13-14
Звуковые волны и слух человека.
Физические основы речи и слуха человека.
Терморегуляция живого организма
Роль влажности и ее регулирование в промышленных и домашних условиях
Работа и мощность человека. Эргометрия
Энергетическая ценность (калорийность) продуктов.
20-21.
Рентгеновские лучи и их применение в медицине.
22-23.
Электрические и магнитные явления и здоровье.
Влияние магнитов на жизнь человека.
Применение магнитов для здоровья человека.
Экскурсия в физиотерапевтический кабинет поликлиники.
27-30.
Здоровый образ жизни.
Электромагнитное поле и здоровье человека.
Сотовая связь и здоровье человека
Персональный компьютер и здоровье человека
Бытовые электроприборы и здоровье человека.
Метод радиоактивных изотопов в диагностике заболеваний
Компьютерный томограф – современное достижение физиков и медиков.
33-34.
Итоговая конференция.
Подведение итогов.
Итого
Программа курса
Введение
Обзорная лекция, иллюстрирующая всю широту спектра физических явлений, о которых можно говорить в связи со здоровьем человека или функционированием организма человека: оптические, механические, тепловые, электрические, магнитные и другие явления.
Оптические параметры человека
Прямолинейное распространение света. Законы отражения и преломления. Линзы. Построение изображения в линзах. Глаз человека как сложная оптическая система. Глаза различных представителей животного мира. Основные дефекты зрения: близорукость, дальнозоркость, астигматизм, дальтонизм. Очки. Как сохранить хорошее зрение: условия освещенности, оптимальное расстояние и угол зрения, правильный режим труда и отдыха.
Демонстрации: оптическая скамья, линзы, зеркала, преломляющая призма.
Практические работы: определение фокусного расстояния и оптической силы линз в различных очках; определение остроты зрения, наблюдение различных типов изображений в линзах.
: оптические параметры человека.
Механические параметры человека
Плотности жидкостей и твердых тканей, из которых состоит человек. Простые механизмы в живых организмах и их назначение. «Золотое правило» механики. Опорно-двигательная система человека и законы механики. Зачем человеку суставы? Строение костей с точки зрения возможности наибольшей деформации. Работа и мощность, развиваемая человеком в различных видах деятельности.
Демонстрации: блоки, ворот, клин, винт, рычаг, наклонная плоскость и другие.
Практические работы: определение мускульной силы кисти руки человека с помощью силомера; вычисление выигрыша в силе в системе «предплечье – плечо»; определение средней плотности кости.
Самостоятельный поиск информации : механические параметры человека
Давление и аппараты для его измерения
Роль атмосферного давления в жизни живых организмов. Как создается давление внутри человека. Атмосферное давление и самочувствие человека. Высокое и низкое давление.
Практическая работа: изучение устройства, принципа действия и правил пользования медицинским тонометром по его инструкции, измерение артериального давления с помощью тонометра и фонендоскопа.
Виртуальная экскурсия: Полет на воздушном шаре.
Самостоятельный поиск информации : как человек переносит различную высоту над уровнем моря?
Терморегуляция живого организма. Течение крови по сосудам.
Процессы диффузии в живой природе. Капиллярные явления. Смачиваемость. Все о коже – лучшем «кровельном материале». Законы движение жидкости по трубам переменного сечения. Уравнение Бернулли. Сложная система кровеносных и лимфатических сосудов в организме человека.
Демонстрации: оптическая скамья, макет трубы переменного сечения.
Практическая работа: определение анализа крови. Проведение практической работы планируется с приглашением медицинского работника, проводящего забор и анализ крови. Измерение кожной температуры полупроводниковым термометром.
Красные кровяные шарики крови человека представляют собой диски диаметром приблизительно 7*10 -6 м и толщиной 10 -6 м. В каждом кубическом миллиметре крови содержится около 5*10 6 таких дисков.
а) если в теле взрослого человека 5 л крови, то, сколько содержится в ней красных кровяных шариков?
б) масса молекулы гемоглобина составляет около 6,8*10 4 а.е.м. Сколько молекул гемоглобина должно содержаться в одном красном кровяном шарике, если плотность гемоглобина 1 кг/м 3 и если мы будем считать, что кровяные шарики состоят полностью из гемоглобина?
2. Как объяснить водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах?
3. Кровь более вязкая, чем вода. При движении по сосудистой системе она испытывает сопротивление, обусловленное внутренним трением. Чем сосуды тоньше, тем больше трение и тем больше падает давление крови. В течение минуты сердце выбрасывает в аорту около 4 л крови. Скорость движения крови в аорте 0,5 м/с, а по капиллярам – 0,5 мм/с. Во сколько раз сила сопротивления при движении крови по аорте больше силы сопротивления крови, движущейся по капиллярам, если коэффициент сопротивления движению крови считать одинаковым для обоих случаев?
4. Продолжить поиск информации о параметрах человеческого организма и заполнение личного физического паспорта.
Звуковые волны и слух человека
Колебания в живой природе. Звук и его характеристики. Свойства звука. Голосовой аппарат человека. Голоса в животном мире. Слуховой аппарат человека. Инфразвуки и ультразвуки. Биоакустика рыб. Влияние звуков различных частот на здоровье человека.
Демонстрации: метрономы, резонаторные ящики, струнные музыкальные инструменты, диапазон механических волн. Воспроизведение записи работы сердца, графическая регистрация звуков сердца (фонокардиография).
Практическая работа: определение предельной чувствительности слухового аппарата человека, определение пульса человека до физической нагрузки и после увеличения нагрузки при помощи фонендоскопа. По возможности организовать посещение медицинского кабинета для проведения фонокардиографии.
1. Задачи типа: барабанная перепонка человека имеет площадь примерно 0,65 см 2 . При громкости звука 20 дБ амплитуда звукового давления равна 20 мН/м 2 – это звуковой фон в очень тихой комнате. Болевой порог для уха наступает при громкости 140 дБ и амплитуде звукового давления 200 Н/м 2 , а механические повреждения барабанной перепонки – при громкости 160 дБ и амплитуде звукового давления 2 кН/м 2 . С какой силой действует в этих случаях звук на барабанную перепонку?
2. Знакомство с частотным диапазоном голосов певцов:
Частотный диапазон, Гц
Мужские: бас
80 - 350
баритон
100 - 400
тенор
130 -500
Женские: контральто
170 - 780
меццо - сопрано
200 - 900
сопрано
250 - 1000
колоратурное сопрано
13000
Домашнее творческое задание: «золотые» голоса России, каков их частотный диапазон?
Электромагнитные излучения и их применение в медицине
Ультрафиолетовое, инфракрасное и рентгеновское излучения. В. Рентген, биографические данные. Открытие Х-лучей. Свойства рентгеновского излучения. Применение в медицине для диагностики и лечения. Почему необходимо регулярно делать флюорографию?
Демонстрации: рентгеновские снимки.
Домашнее задание: по возможности найти различные приборы электрического и магнитного принципа работы («Витафон», «МАГ» и другие) с инструкциями, принести их в школу.
Электрические и магнитные явления и здоровье человека
Электрические свойства тканей организма. Человек в мире электромагнитных полей и импульсов. Биотоки, импульсы мозга. Почему можно оживить с помощью электрического разряда? Применение высокочастотных колебаний с лечебной целью.
Практическое занятие: определение сопротивления кожи человека; изучение устройства, принципа действия и правил пользования приборами из серии «Домашний доктор» по их инструкциям.
Ткань
Удельная электропроводность,
Ом -1 *м -1
Спинномозговая жидкость
Сыворотка крови
Кровь
Мышца
Внутренние органы
(2-3)*10 -1
Мозговая и нервная ткани
0,07
Жировая ткань
0,03
Кожа сухая
10 -9
Экскурсия в физиотерапевтический кабинет поликлиники
Ознакомление с различными видами физиотерапевтической аппаратуры, их назначением, принципами действия, видами заболеваний, при лечении которых они применяются и другое. Техника безопасности при работе с оборудованием.
Домашнее задание: оформление изученной на курсах информации в виде сообщения, плаката, презентации или в любой другой наглядной форме.
Пример информации:
Ученые Объединенного института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН исследовали влияние физических полей различной природы (в основном электромагнитных) на поведенческие реакции живых организмов, в том числе людей. Часто неврастения сопровождается головными болями (мигренями) и потерей сна.Как же снять головные боли?
Ответ.Этого можно достигнуть путем воздействия на мозг импульсами электрического тока через электроды, прикладываемые к коже. Метод позволяет сократить, а иногда и полностью исключить применение химических обезболивающих препаратов, избавить больного от их побочных действий. Например, в аппарате «Скат» импульсы переменного тока попеременно подаются с трех пар электродов, укрепленных на голове больного. Благодаря этому под воздействием оказываются практически все структуры мозга, ответственные за блокаду болевого раздражения. Частота импульсов меняется в интервале 400 – 1500 Гц, а амплитуда силы тока достигает 300 мА.
Человек примерно треть жизни проводит во сне. Полное лишение сна люди переносят гораздо тяжелее, чем голодание, и скоро погибают. В процессе сна клетки мозга восстанавливают свою работоспособность, активно усваивают питательные вещества, накапливают энергию. Сон восстанавливает умственную деятельность, создает чувство свежести, бодрости, вызывает прилив энергии. Поэтому для лечения заболеваний центральной нервной системы используют электросон. Он используется при снижении работоспособности, повышенной утомляемости, головных болях и бессоннице.
Здоровый образ жизни
Здоровое питание. Правильный режим сна и бодрствования. Разумные физические нагрузки. Занятия спортом. Почему полезна баня? Правила личной гигиены. Можно ли бороться с вредными привычками? Какие привычки считать вредными?
Практическая работа: определение параметров здорового человека (пульс, частота дыхания, давление, вес), определение выносливости и тренированности организма после физической нагрузки (10 приседаний), оформление личного физического паспорта.
Домашнее задание: вспомнить самое интересное на ваш взгляд занятие курса, подготовить небольшое (2-3 минутное) сообщение по данной теме; ответить на вопрос – что нового по физике я узнал во время работы данного элективного курса по физике? Нужно ли знать данный предмет хорошему врачу или медсестре? Изменилось ли ваше решение в выборе дальнейшего образовательного пути? Что посоветуете изменить или добавить в программу элективного курса?
Итоговая конференция
Выступления – размышления учащихся по итогам элективного курса. Просмотр индивидуальных проектов, приготовленных учащимися.
Подведение итогов заполнения личного физического паспорта, обсуждение вопросов, касающихся культуры сохранения собственного здоровья.
Список литературы
Алексеева М.Н. Физика - юным. - М.: Просвещение, 1980.
Агаджанян Н.А. Ритм жизни и здоровье. - М.: Знание, 1975.
Бутырский Г.А. Экспериментальные задачи по физике 10-11 класс. - М.: Просвещение, 2000.
Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1987.
Мякишев Г.Я, Буховцев Б.Б. Учебник физики. 10 класс. - М.: Просвещение, 2001.
Перельман Я И. Занимательная физика.- Д.: «ВАП», 1994.
Перышкин А.В. Учебник физики. 7 класс. - М.: Дрофа, 2001.
Перышкин А.В. Учебник физики. 8 класс. - М.: Дрофа, 2001.
Перышкин А.В., Гутник Е.М. Учебник физики. 9класс. - М.: Дрофа, 2001.
Конкурс научных проектов школьников
в рамках краевой научно-практической конференции «Эврика»
Малой академии наук учащихся Кубани
Исследование механических параметров человека.
Секция: «Физика»
Ерёменко Марина Юрьевна, 11класс,
МОУ СОШ №5 МО Кореновский район,
ст. Платнировская.
Научный руководитель:
Коломиец Наталия Леонидовна,
учитель физики МОУ СОШ №5
МО Кореновский район,
ст. Платнировская.
г. Кореновск
Работу выполнила: ученица
11 кл. МОУ СОШ №5
МО Кореновский район
Ерёменко Марина Юрьевна
Содержание стр.
Введение ………………………………………………………………………………....2
Плотность тела человека………………………………………………………… ...…...3
Теоретическая часть……………………………………………………………..3
Практическая часть…………………………………………………………..…..3
Определение плотности тел нескольких
Скорость реакции человека………………………………………………….………….4
Теоретическая часть……………………………………………………………..4
Практическая часть………………………………………………………………5
Определение времени реакции человека…………………………………..5
Сравнение скорости реакции двух человек………………………….…….6
Сравнение времени реакции водителей……………………………….….7
Жизненная ёмкость лёгких человека…………………………………………….……..8
Теоретическая часть……………………………………………………………..8
Практическая часть……………………………………………….………...…..10
Определение жизненной емкости легких теоретическим методом…..…10
Определение жизненной емкости легких
Заключение………………………………………………………………………...……11
Приложения………………………………………………………………………………....14
«Исследование механических параметров человека»
Работу выполнила: ученица
11 кл. МОУ СОШ №5
МО Кореновский район
Ерёменко Марина Юрьевна
Введение.
На школьных уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Но исследование проявлений законов физики в организме человека играет, безусловно, важную роль. Объяснение отдельных процессов, происходящих в живых организмах, на основе физических законов поможет установить причинно-следственные связи в живой и не живой природе, раскрыть единство окружающего мира, показать единство законов природы и применимость законов физики и к живым организмам.
Тема данной работы «Исследование механических параметров человека».
Объект исследования: Законы физики в организме человека.
Предмет исследования: Механические параметры человека: объем и плотность тела, время реакции человека, жизненная емкость легких.
Цель данной работы:определить некоторые механические параметры человека, выяснить зависимость определенных практическим путем механических параметров от индивидуальных особенностей человека (возраст, профессия, образ жизни, самочувствие и т. п.), установить значение этих параметров для жизнедеятельности человека.
Источниковой базой для проведения исследования является:
Теоретический материал о проявлении законов физики в организме человека;
Результаты практических работ по определению некоторых механических параметров организма человека.
В процессе исследования поставлены следующие задачи :
Изучить и проанализировать теоретический материал о проявлении законов физики в организме человека;
Провести практические работы по определению некоторых механических параметров организма человека;
Проанализировать и обработать результаты практических измерений, необходимых для определения механических параметров человека;
Обобщить результаты исследования и сделать выводы о зависимости механических параметров человека от его индивидуальных особенностей.
В работе использовались следующие научные методы исследования:
Анализ и обработка теоретического материала о применении законов физики к организму человека (применение законов механики для определения механических параметров человека);
Постановка опытов и проведение практических измерений для определения механических параметров человека;
Анализ и обработка результатов измерений, полученных опытным путем;
Обобщение результатов исследования и выводы.
«Исследование механических параметров человека»
Работу выполнила: ученица
11 кл. МОУ СОШ №5
МО Кореновский район
Ерёменко Марина Юрьевна
Плотность тела человека.
Теоретическая часть.
Теперь о человеке. Известно, что в целом плотность тела человека очень близка к плотности воды, так как человек на 60-90 % состоит из неё. * (* - ссылка на литературу.)
Средняя плотность тела человека в разных источниках составляет от 870 до 1120 кг/м 3
Точной цифры нет, потому что плотность каждого человека различна и зависит от особенностей индивидуального строения, а ещё от объема воздуха в легких.
Также считается, что полный человек имеет меньшую плотность, мускулистый – большую; так как удельная плотность жира 0. 918 г/см 3 , а плотность мышц - 1.049 г/см 3
Чаще всего средняя плотность тела человека принимается за 1036 кг/м 3 .
Практическая часть.
Определение плотности тел нескольких человек и сравнение полученных результатов.
Вычисляем плотность человека по формуле:
,
где m - его масса, V – объем, полученный экспериментальным путем.
Форма ванны не представляет собой параллелепипед, но так как формы разных моделей ванн сходны, то погрешности измерения будут приблизительно равны, а значит, на чистоте эксперимента эти погрешности отражаться не будут.
Плотность тела зависит от пола (Средняя плотность тела парней выше, чем у девушек), от образа жизни (Плотность тела спортсменов выше. Следует отметить, что просматривается зависимость плотности тела человека от выбранного вида спорта.) (см. Приложение № 1, Таблица №2.) .
«Исследование механических параметров человека»
Работу выполнила: ученица
11 кл. МОУ СОШ №5
МО Кореновский район
Ерёменко Марина Юрьевна
Скорость реакции человека.
Теоретическая часть.
От начала действия раздражителя до момента реакции всегда проходит определенное время, после чего включаются мышечные механизмы ответного действия, быстрота которых уже зависит от скорости движений тела. Время задержки определяется скоростью обмена веществ и является индивидуальной особенностью каждого организма. Оно не поддается тренировке, потому что невозможно увеличить скорость передачи нервных импульсов.
Скорость реакции человека определяется работой нервной системы и скоростью работы мышц.
У человека среднее время реакции на визуальный сигнал составляет 0,1-0,3 секунды. (см. Приложение № 2.).
Время реакции - важнейшая характеристика организма человека. Как ни странно, лидерские качества человека тоже зависят от времени реакции. А также, одним из самых важных качеств водителя является его время реакции на изменение дорожной обстановки. Временем реакции называется промежуток времени от момента появления зрительного или слухового сигнала об изменившейся обстановке до соответствующего ответного действия водителя. Например, время до нажатия на тормозную педаль или поворота рулевого колеса от момента появления сигнала. Реакция у различных людей неодинакова. Например, время реакции является одной из важнейших характеристик водителей, у большинства водителей время реакции лежит в пределах от 0,5 до 2,0 с.
Экспертиза ГИБДД и МВД использует более точные формулы и методики для определения времени реакции водителя. Но чаще всего при анализе ДТП экспертам важнее знать время начала торможения или тормозной путь, в этом случае
время реакции водителя по стандарту принято считать 0.8 с.
Разумеется, всегда желательно, чтобы время реакции было как можно меньше (что соответствует большей скорости реакции), так как торможение автомобиля фактически начинается только по истечении этого времени.
Если, например, автомобиль движется со скоростью 90 км/ч, то за 1 сек он проходит 25 м. Следовательно, если время реакции водителя равно 1 с, то на протяжении 25 м тормоза автомобиля даже не будут приведены в действие! Таким образом, "цена" всего лишь одной десятой доли секунды в этом примере 2,5 м движения автомобиля. (см. Приложение № 3.), что может стоить жизни перебегающему дорогу человеку, видящему автомобиль на достаточном по его мнению расстоянии.
Практическая часть.
Определение скорости реакции человека.
Ассистент прижимает вертикально расположенную линейку к стене так, чтобы засечка на ней совпадала с отметкой на стене.
Затем, отвлекая внимание участника эксперимента, отпускает линейку в свободное падение. Участник должен остановить падение линейки, так быстро, как сможет.
Ассистент отмечает новое положение засечки линейки и производит замер её полета (h), т.е. расстояние между отметками на стене.
Скорость реакции вычисляется по формуле: t=,
где - ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с., t –скорость реакции, с, - расстояние между отметками на стене (см. Приложение № 4.).
Анализ полученных результатов:
Знак « - » обозначает, что участник опыта не успел остановить линейку до того как она коснулась пола. Количество участников с замедленной реакцией оказалось равно 70%.
Сравнение скорости реакции двух человек.
Первый партнер становится напротив и располагает открытую ладонь так, чтобы второму было удобно по ней бить своей ладонью. Второй партнер бьет по ладони первого в произвольные моменты времени. Задача первого - убрать ладонь (один балл), задача второго – попасть (один балл), в случае неудачи того или другого – 0 баллов. Ведется счёт (наибольшее число очков – лучшая скорость реакции). Затем партнеры меняются. (см. Приложение № 5.)
Анализ полученных результатов:
Скорость реакции человека (см. Приложение №5) зависит от индивидуальных особенностей партнеров.
У одних участников опыта (Витя) скорость реакции не зависит от особенностей источника сигнала (индивидуальных особенностей партнера); у других (Марина, Вадик, Кирилл) скорость реакции зависит от особенностей источника сигнала; у третьих (Саша) скорость реакции всегда меньше независимо от особенностей источника сигнала (всегда меньше, чем у партнера).
Таким образом, по результатам опыта участник Витя - обладает максимальной скоростью реакции. Марина, Вадик, Кирилл – обладают хорошей скоростью реакции, но она зависит от особенностей источника сигнала, а значит не во всех случаях от этих участников можно ожидать должной скорости реакции (Например, Витя отреагирует мгновенно торможением и на красный сигнал светофора, и на перебегающего неожиданно улицу человека. Марина, Вадик, Кирилл – отреагировав мгновенно на красный сигнал светофора, могут не сразу отреагировать на перебегающего улицу человека.)
Данным способом можно определить максимальную, среднюю, минимальную скорость реакции, не измеряя отдельно скорость реакции каждого участника опыта, а сравнив полученные результаты.
Время реакции водителей.
Главная задача опытов - измерить тормозной путь и вычислить скорость реакции водителя по специальной таблице. Но при этом не должна была создаваться помеха уличному движению. Из-за этой проблемы пришлось подбирать время проведения опытов. (В основном это было ранее утро, когда движение в выбранном районе отсутствует). Еще одна проблема была в том, что все опыты по разным обстоятельствам нельзя было провести в один день, а погодные условия могли повлиять на состояние покрытия дороги и, следовательно, на точность опытов. Учитывая это, все опыты проводились при сходных погодных условиях (покрытие дороги должно быть сухим). Измерения проводились по три раза, в таблицу вносилось среднеарифметическое значение трех результатов.
Чистота измерений в экспериментах осложнялась тем, что каждый водитель участвовал в опыте на своем транспортном средстве (разные технические характеристики и возможности). Это обстоятельство нельзя было изменить, так как каждый водитель привык к вождению именно своего транспортного средства и переход на другое мог внести еще более существенную разницу в условия проведения опыта для каждого водителя (см. Приложение № 7., Таблица №1.)
Эти же опыты проводились после изменения состояния водителя (см. Приложение № 7, Таблица №2.)
В курсе физики, изучаемом в современной школе, практически не уделяется внимания на физические параметры, характеризующие человека. Однако в связи с изучением вопросов психологии в школе, моделировании процессов, происходящих в живых организмах, в технике, развитием такой науки как бионика у учащихся всё чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека.
В ходе изучения данного курса учащиеся не только удовлетворят свои образовательные потребности, но и получат навыки исследовательской деятельности, познакомятся с методами исследования в физике и биологии, получат краткие данные о медицинской и биологической аппаратуре. Навыки, полученные при работе с измерительными приборами, выполнение практических работ и постановка эксперимента пригодятся в дальнейшей научно-технической деятельности. Объяснение отдельных процессов, происходящих в живых организмах, на основе физических законов поможет им установить причинно-следственные связи, существующие в живой и неживой природе, сформирует интерес не только к физике, но и биологии.
Программа курса носит практико-ориентированный характер с элементами научно-исследовательской деятельности. Данный элективный курс может быть использован для преподавания в классах с биолого-химическим или медицинским профилями.
Изучение элективного курса рассчитано на 17 часов, из них на изучение теоретических вопросов 7,3 ч. (43%), практических занятий (решение задач, выполнение лабораторных работ) –9,7 ч. (57%)
Основные цели курса:
- Показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму, перспективное развитие науки и техники, а также показать в каких сферах профессиональной деятельности им пригодятся полученные на спецкурсе знания.
- Создать условия для формирования и развития интеллектуальных и практических умений у учащихся в области физического эксперимента.
- Развивать познавательную активность и самостоятельность, стремление к саморазвитию и самосовершенствованию.
Задачи курса:
- Способствовать формированию познавательного интереса к физике, развитию творческих способностей у учащихся.
- Развивать интеллектуальную компетентность учащихся.
- Формировать навыки выполнения практических работ, ведения исследовательской деятельности.
- Совершенствовать навыки работы со справочной и научно популярной литературой.
По окончании изучения курса учащиеся должны
- знать:
- какие физические законы можно использовать при объяснении процессов, происходящих в организме человека;
- особенности своего организма с точки зрения законов физики.
- уметь:
- работать с различными источниками информации;
- наблюдать и изучать явления, описывать результаты наблюдений;
- моделировать явления, отбирать нужные приборы, выполнять измерения, представлять результаты измерений в виде таблиц, графиков, ставить исследовательские задачи.
Основное содержание курса
Содержание курса качественно отличается от базового курса физики. На уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Однако очень важно, чтобы у учащихся постепенно складывались убеждения в том, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, взаимосвязаны. В курсе рассматриваются вопросы, направленные на развитие интереса к физике, к экспериментальной деятельности, формирование умений работать со справочной литературой. По окончании изучения курса учащиеся составляют “Физический паспорт человека”.
Механические параметры человека – 10 ч.
Физика. Человек. Биофизические исследования в
физике. Линейные размеры различных частей тела
человека, их масса. Плотности жидкостей и твердых
тканей, из которых состоит человек.
Кинематические величины и тело человека.
Движение тела в поле силы тяжести. Свободное
падение. Время реакции человека. Движение тела,
брошенного под углом к горизонту.
Первый закон Ньютона. Инерция в живой природе.
Второй закон Ньютона. Определение силы человека.
Динамика мышечной ткани. Третий закон Ньютона.
Тело человека в гравитационном поле земли.
Условия длительного существования человека на
космической станции. Меры защиты летчиков и
космонавтов от ускорения. Невесомость и
перегрузки.
Прямохождение и опорно-двигательная система
человека. Ходьба человека. Виды суставов.
Деформация костей, сухожилий, мышц. Прочность
биологических материалов. Строение костей с
точки зрения возможности наибольшей деформации.
Проявление силы трения в организме человека,
естественная смазка. Тормозной путь.
Давление. Атмосфера и человек. Дыхание. Давление
жидкости. Давление крови. Законы движения
крови в организме человека.
Сохранение равновесия живыми организмами. Центр
тяжести тела человека. Рычаги в теле человека.
Работа и мощность, развиваемая человеком в
разных видах деятельности. «Энергетика» и
развитие человека. Применение закона сохранения
энергии к некоторым видам движения человека.
Роль атмосферного давления в жизни человека.
Осмотическое давление. Изменение кровяного
давления в капиллярах. Органы дыхания.
Лабораторные работы.
- Проведение антропологических измерений
- Определить среднюю скорость движения.
- Определение времени реакции человека.
- Градуировка динамометра и определение становой силы человека.
- Определение коэффициентов трения подошв обуви человека о различные поверхности.
- Определение мощности, развиваемой человеком.
Колебания и волны в живых организмах – 2 ч.
Колебания и человек. Происхождение биоритмов.
Сердце и звуки, сопровождающие работу сердца и
легких, их запись.
Звук как средство восприятия и передачи
информации. Орган слуха. Ультразвук и инфразвук.
Область слышимости звука. Голосовой аппарат
человека. Характеристики голоса человека.
Лабораторная работа.
- Определение дыхательного объема легких человека.
- Проведение инструментальных измерений и функциональных проб.
- Подсчет пульса до и после дозированной нагрузки.
- Изучение свойств уха.
Тепловые явления – 1 ч.
Терморегуляция человеческого организма. Влажность. Органы дыхания. Тепловые процессы в теле человека. Человек как тепловой двигатель. Лабораторная работа.
- Подсчет энергетических затрат и определение калорийности рациона
Электричество и магнетизм – 2 ч.
Электрические свойства тела человека.
Биоэлектричество. Бактерии – первые электрики
Земли. Фоторецепторы, электрорецепторы,
биоэлектричество сна. Электрическое
сопротивление органов человека постоянному и
переменному току.
Человек в мире электромагнитных излучений.
Лабораторная работа.
- Определение сопротивления тканей человека постоянному и переменному электрическому току.
Оптические параметры человека – 1 ч.
Строение глаза человека. Сила аккомодации
глаза. Оптическая сила. Дефекты зрения и способы
их исправления. Особенности зрения человека.
Разрешающая способность глаза человека. Как
получается, что мы видим. Для чего нам два глаза.
Спектральная и энергетическая чувствительность
глаза.
Лабораторная работа.
- Наблюдение некоторых психофизиологических особенностей зрения человека.
- Определение характеристических параметров зрения человека.
- Определение спектральных границ чувствительности человеческого глаза.
Система аттестации учащихся. После окончания изучения курса зачет ставится при выполнении следующих условий:
- Активное участие в подготовке и проведении семинаров, конференций, выпуске газет, изготовлении моделей.
- Выполнение не менее половины лабораторных работ.
- Выполнение не менее одного экспериментального задания исследовательского или конструкторского характера.
- Составление “Физического паспорта человека”.
Тематическое планирование курса
№ п/п |
Тема занятия |
Количество часов |
||
| всего | теория |
практика |
||
Механические параметры человека (10 ч) |
||||
| 1. | Физика. Человек. Окружающая среда. | |||
| 2. | Кинематика и тело человека. | |||
| 3. | Движение тела в поле силы тяжести. | |||
| 4. | Законы Ньютона в жизни человека. | |||
| 5. | Гравитация и человек. | |||
| 6. | Прямохождение и опорно-двигательная система человека. | |||
| 7. | Проявление силы трения в организме человека. | |||
| 8. | Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности. | |||
| 9. | Статика в теле человека. | |||
| 10. | Давление и тело человека. | |||
Колебания и волны в живых организмах (2 ч) |
||||
| 11. | Колебания и человек. | |||
| 12. | Звук. | |||
Тепловые явления (1 ч) |
||||
| 13. | Тепловые процессы в теле человека. | |||
Электричество и магнетизм. (2 ч) |
||||
| 14. | Электрические свойства тела человека | |||
| 15. | Человек в мире электромагнитных излучений. | |||
Оптические параметры человека (1 ч) |
||||
| 16. | Глаз и зрение | |||
| 17. | Конференция. | |||
| Итого: | ||||
Механическая работа, которую способен совершить человек в течение дня, зависит от многих факторов, поэтому трудно указать какую-либо предельную величину. Это замечание относится и к мощности. Так, при кратковременных усилиях человек может развивать мощность порядка нескольких киловатт. Если спортсмен массой 70 кг подпрыгивает с места так, что его центр масс поднимается на 1 м по отношению к нормальной стойке, а фаза отталкивания длится 0,2 с, то он развивает мощность около
При ходьбе человек совершает работу, так как при этом энергия затрачивается на периодическое небольшое поднятие тела и на ускорение и замедление конечностей, главным образом ног.
Человек массой 75 кг при ходьбе со скоростью 5 км/ч развивает мощность около 60 Вт. С возрастанием скорости эта мощность быстро увеличивается, достигая 200 Вт при скорости 7 км/ч. При езде на велосипеде положение центра масс человека изменяется гораздо меньше, чем при ходьбе, а ускорение ног тоже меньше. Поэтому мощность, затрачиваемая при езде на велосипеде, значительно меньше: 30 Вт при скорости 9 км/ч, 120 Вт при 18 км/ч.
Работа обращается в нуль, если перемещения нет. Поэтому, когда груз находится на опоре или подставке или подвешен на нити, сила тяжести не совершает работы. Однако каждому из нас знакома усталость мышц руки и плеча, если держать неподвижно на вытянутой руке гирю или гантель. Точно так же устают мышцы спины и поясничной области, если Сидящему человеку поместить на спину груз. В обоих случаях груз неподвижен и работы нет. Усталость же свидетельствует о том, что мышцы совершают работу. Такую работу называют статической работой мышц.
Статики (неподвижности) такой, как ее понимают в механике, на самом деле нет. Происходят очень мелкие и частые, незаметные глазу сокращения и расслабления, и при этом совершается работа против сил тяжести. Таким образом, статическая работа человека на самом деле является обычной динамической работой.
Для измерения работы человека применяют приборы, называемые эргометрами. Соответствующий раздел измерительной, техники называется эргометрией.
Примером эргометра служит тормозной велосипед (велоэргометр; рис. 4.1). Через обод вращающегося колеса перекинута стальная лента 2. Сила трения между лентой и ободом колеса измеряется динамометром 3. Вся работа испытуемого затрачивается на преодоление силы трения (остальными видами работ пренебрегаем). Умножив длину окружности колеса на силу трения, найдем работу, совершаемую при каждом обороте, а зная число оборотов и время испытания, определим полную работу и среднюю мощность.
Для практических расчетов и теоретических исследований систем виброзащиты оператора используют динамические модели тела человека в виде аналитических соотношений (например, частотных характеристик) или в виде эквивалентных механических систем (как правило, с несколькими степенями свободы).
При экспериментальных исследованиях и испытаниях систем «человек-машина» в экстремальных условиях применяют специальные имитаторы (антропоморфные манекены), заменяющие человека-испытателя в опасных для него условиях.
Расчетные динамические модели, а также антропоморфные манекены должны быть эквивалентными телу человека по следующим основным показателям: а) геометрическим размерам и формам, б) распределению масс частей тела (в частности, по расположению центров масс частей тела, значениям этих масс и моментов инерции), в) видам соединений отдельных звеньев, г) упругим и демпфирующим свойствам
На рис. 1, а представлена примерная схема конструкции типичного манекена, а на рис. 1,б - усредненные антропометрические данные тела человека.
Усредненные инерционные характеристики отдельных частей (сегментов) тела человека приведены на рис. 2, Значения масс даны в процентах от общей массы человека; значения моментов инерции относительно осей, проходящих через центр масс сегмента, расположение центра масс указано в процентах от длины сегмента.
Положение общего центра масс зависит от позы, принимаемой человеком (рис. 3).
Соединения между отдельными звеньями тела человека (или эквивалентного манекена) представляют собой кинематические пары, обладающие различными степенями подвижности (в ограниченных пределах), Идеализированные схемы соединений Звеньев тела приведены в табл, 1.
(см. скан)
(кликните для просмотра скана)
(см. скан)
(см. скан)
(см. скан)
(см. скан)
(см. скан)
(см. скан)
(см. скан)
Наибольшие значения углов поворота некоторых частей тела, обусловленных подвижностью соответствующих суставов, даны в табл. 2.
Нужные для построения моделей тела человека основные физико-механические параметры , характеризующие упругодемпфирующие свойства тканей человека, триведены в табл, 3 (средние значения).
Рис. 3. Положение центра масс тела сидящего человека
(см. скан)
Зависимости напряжений от относительных деформаций для биологических тканей имеют нелинейный характер; в табл. 4 приведены эти зависимости, полученные для образцов мягких и костных тканей человека .
Характеристики крутильной жесткости элементов скелета человека приведены в табл. 5 в виде крутящего момента приложенного к торцовым сечениям элемента, в зависимости от угла взаимного поворота сечений .