«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика




Скачать 25,75 Kb.
Название«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика
Дата04.02.2016
Размер25,75 Kb.
ТипПрактическая работа


Международная научно-практическая конференция

«Первые шаги в науку»


«Физика внутри нас. Кровеносная система»


Предметная область физика


Автор Костикова Екатерина Андреевна , 9 класс


Научный руководитель Лунина Людмила Алексеевна,

МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №14» г.Брянска, учитель физики.


МБОУ ««Средняя общеобразовательная школа №14»

г. Брянска


г.Брянск

2013 г.

Оглавление.

  1. Введение. – стр. 3

  2. История открытия кровообращения.- стр.4

  3. Кровяное давление, его роль в движении крови по сосудам. – стр.4

  4. Сердце – насос.- стр.5

  5. Силы, действующие на кровь при ее движении, - сила давления и сила сопротивления (трения). – стр.5

  6. Пульсовые волны. – стр.6

  7. Скорость кровотока. Изменение скорости кровотока в зависимости от размеров сечения сосудов.- стр.8

  8. Кровеносные капилляры.- стр.10

  9. Практическая работа – стр.11

X. Заключение. – стр. 12

XI. Список используемой литературы – стр.13

XII. Приложение. - стр. 14


I. Введение.

Актуальность проблемы.

Физика – наука о природе. Человек – неотъемлемая часть природы. Первейшая потребность человека – сохранение его жизни и здоровья. Отсутствие болезни – непременное условие человеческого счастья, всестороннего развития, ощущения полноты жизни. Одновременно здоровье населения – это народное достояние, важнейшее условие развития общества. Здоровье позволяет человеку учиться, трудится, заниматься спортом и т.д. не зря говорят: «Здоров будешь – всё добудешь».

Чтобы сохранить здоровье, нужно изучать свой организм, процессы, происходящие в нем.

Цель работы: выяснить значение физических факторов, обуславливающих непрерывное движение крови. Т.е. рассмотреть кровеносную систему глазами физиков.

Предмет исследования: движение крови по сосудам.

Объект исследования: кровеносная система человека.

Гипотеза: Кровь находится в постоянном движении. Она течет по сосудам. Сосуды и сердце – органы кровообращения. Сердце действует подобно насосу. При каждом сокращении оно силой выбрасывает в сосуды очередную порцию крови, создавая в них давление. Сосуды имеют различную толщину. Кровь течёт по сосудам из области высокого давления в область низкого давления. Кровь, доставляет тканям и клеткам человека питательные вещества, кислород.

Задачи. Можно ли использовать законы физики для описания процессов, происходящих в кровеносной системе?

Методы и приемы, которые использовались в работе:

  • при изучении теоретической части – работа с научной литературой и другими печатными источниками и электронными сайтами с использованием таких приемов: конспектирование, составление плана изложения материала, цитирование, аннотирование,

  • наглядные методы: составление презентации данной работы;

  • исследовательские методы: проведение анкетирования, опытов, создание фотоматериалов, сбор статистических данных, демонстрационных материалов.

  • практические методы: использование эксперимента, обсуждение особенностей его постановки и наблюдаемых результатов;

  1. История открытия кровообращения.

В 1543 г. Андре Визалий из-за разногласий с церковью сжег свои научные труды по анатомии и стал в Мадриде придворным врачом.

Однажды он вскрыл труп умершего человека, чтобы установить причину смерти. Ужас охватил всех присутствующих, т.к. сердце слабо сокращалось, а из «трубок» текла кровь. Инквизиция обвинила Визалия во вскрытии живого человека, приговорила его к паломничеству в Палестину, откуда он не вернулся. С этого момента началось исследование системы кровообращения.

III. Кровяное давление, его роль в движении крови по сосудам.

Кровяное давление создается сердечными сокращениями и сопротивлением стенок сосудов. Способ определения кровяного давления был предложен российским врачом Н. С. Коротковым в 1905 году во время русско-японской войны. Сейчас этот способ носит его имя. Манжетку надевают на плечо, с помощью груши накачивают воздух. Фонендоскоп прикладывают к месту локтевого сгиба, там, где проходит плечевая артерия.

Давление в манжетке выше кровяного давления в артерии. Звуков не слышно. Открываем винт груши и слышим удары. Первый – это максимальное (верхнее) давление, которое вызвано сокращением желудочков сердца. Последний – минимальное (нижнее) давление, при расслаблении желудочков.

16-15 лет Р = 110 - 126 мм.рт.ст.

60 лет Р = 135 - 140 мм.рт.ст.

Отклонение от нормы вызывает заболевание : гипотонию (пониженное давление), гипертонию (повышенное давление).

Кровяное давление зависит не только от работы сердца, но и от количества крови в организме. Замечено, что чем дальше сосуд находится от сердца, тем ниже в нем кровяное давление.

IV. Сердце – насос.

Наше сердце – это насос, устройство которого можно сравнить с работой поршневого жидкостного насоса.

Насос состоит из цилиндра, внутри которого ходит вверх и вниз плотно прилегающий к стенкам поршень 1. В нижней части цилиндра и в самом поршне установлены клапаны 2, открывающиеся только вверх. При движении поршня вверх вода под действием атмосферного давления входит в трубу, поднимает нижний клапан и движется за поршнем.

При движении поршня вниз вода, находящаяся под поршнем, давит на нижний клапан, он закрывается. Одновременно под давлением воды открывается клапан внутри поршня, и вода переходит в пространство над поршнем. При последующем движении поршня вверх вместе с ним поднимается и находящаяся над ним вода, которая и выливается в отводящую трубу. Одновременно за поршнем поднимается новая порция воды, которая при последующем опускании поршня окажется над ним и т.д.

V.Силы, действующие на кровь при ее движении, - сила давления и сила сопротивления (трения)

Сила терния – сила, возникающая при соприкосновении поверхностей двух тел и препятствующая их перемещению относительно друг друга. Одной из причин возникновения силы трения является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Другая причина – взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.

Таким образом, при движении крови по сосудам возникает сила трения, которая препятствует перемещению крови, в результате скорость ее течения становится меньше. На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому каждый слой крови в сосудах своим весом создает давление на другие слои. Это давление по закону Паскаля передается по всем направлениям одинаково. Следовательно, на кровь при ее движении действуют силы давления и трения. Какова же роль самих сосудов? Сосуды образуют пульсовые волны.

VI. Пульсовые волны.

Сердце – это насос, который работает в импульсивном режиме. Длительность импульса 0,25 с, за это время сердце взрослого человека выталкивает из себя в аорту около 0,1 л крови. Движение крови по сосудам – процесс довольно сложный. Стенка артерий и аорты обладает высокой эластичностью. Поэтому, когда кровь поступает в аорту, ее стенки начинают расширяться до тех пор, пока приток крови не остановится. Стенки аорты пытаются под действием силы упругости вдавить кровь в отдаленные от сердца сосуды, чтобы принять свою первоначальную форму, т.к. обратному току препятствует клапан сердца. И так повторяется до бесконечности.

Таким образом, после каждого сокращения сердца вдоль артерии от сердца идет волна деформации, подобно тому, как идут волны от удара камня о воду. Эти удары волн мы ощущаем, приложив палец у основания большого пальца на запястье - ЭТО ПУЛЬС !

Пульс (от лат. pulsus — удар, толчок) – это колебания стенок сосудов, вызванные изменением давления крови в результате работы сердца. Измеряют пульс за 1 минуту. Нормы звука пульса известны:

Новорожденные от 0 до 3 мес.

Младенцы от 3 до 6мес.

Младенцы от 6 до 12 мес.

Дети от 1 года до 10 лет.

Дети старше 10 лет и взрослые, включая пожилых.

Хорошо тренированные взрослые спортсмены.

100-150

90–120

80-120

70–130

60–100

40–60

Сердце, как любая мышца, может увеличить размер под воздействием тренировок и растёт в детстве. Поэтому в состоянии покоя у "аэробных" спортсменов (марафонцев, лыжников, велосипедистов, пловцов) для прокачки того же объёма крови требуется меньше сердечных сокращений, чем сердцу нетренированного человека. Также у детей - сердце меньше и минимальный пульс выше. Частота пульса может быть использована для контроля здоровья сердца и уровня физической подготовки вообще. Обычно, чем пульс ниже, - тем лучше, но в случае брадикардии это может быть опасно. Тревожными симптомами при низком пульсе являются слабость и обмороки. Пульс – является основным показателем здоровья.

Итак, пульс – это колебания стенок сосудов. Колебаниями называются физические процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые интервалы времени.

Процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени называется волной. Источником пульсовых волн является сердце. ЭКГ сердца – это и есть графическое изображение пульсовой волны с течением времени. Пульсовая волна – это поперечная волна – волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения.

Т.к. волны – это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени, то они распространяются с какой- то скоростью.

Скорость распространения волны деформации кровеносного сосуда может значительно отличаться от скорости распространения волны сжатия в крови. Последняя, очевидно, равна скорости распространения звука и составляет несколько сотен метров в секунду, тогда как волны деформации проходят за секунду несколько метров.

Измерить скорость распространения пульсовой волны удалось лишь в начале ХХ в., когда появились первые безынерционные регистрирующие приборы. Эта скорость, как правило, равна 3 – 15 м/с, что в десятки раз превышает среднюю скорость движения крови по сосудам.

Оказалось, что скорость распространения пульсовой волны зависит от упругости артериальной стенки, поэтому может служить показателем ее состояния при различных заболеваниях.

Впервые формула для скорости распространения пульсовых волн в артериях была выведена знаменитым английским ученым Томасом Юнгом в 1809 г. Всю жизнь он совмещал две профессии – практикующего врача и физика.

Выражение для скорости распространения пульсовой волны:

υ2 = Е h / (ρ d), где υ - скорость, Е - модуль Юнга, h – толщина стенки, ρ – плотность, d - внешний диаметр артерии. Скорость пульсовой волны зависит от упругости стенки артерии, ее модуля Юнга. C возрастом, а также при заболеваниях, сопровождающихся потерей упругости стенки артерий (гипертонии, атеросклерозе), υ может увеличиваться в 2-3 раза по сравнению с нормой. Это позволяет использовать измерение скорости распространения пульсовой волны для постановки диагноза.

С точки зрения биологии можно еще обратить внимание на нарушение данного явления, которое ведет к неминуемой смерти человека. Это аневризмы. Пульсовые волны повторяются около 100 тыс. раз за сутки и около 2,5 млрд. в течении жизни. Подобную нагрузку стенки сосудов способны выдержать. Но иногда стенка начинает расширяться, образуя аневризму – расширение, оно прогрессирует и со временем не выдержав сосуд лопается, что приводит к смерти. Обычно это бывает в зрелом возрасте. Кардиограмма позволяет раньше установить наличие аневризм и провести шунтирование.

Аневризма – заболевание, объясняемое физическим законом – законом Лапласа. Рост аневризмы – это проявление закона Лапласа (французского астронома и математика, открывшего зависимость между напряжением Т, растягивающим стенку кровеносного сосуда – отношение силы к площади продольного сечения стенки сосуда, - его радиусом R, давлением внутри сосуда р и толщиной его стенки h): Т= р R / h.

Из закона Лапласа следует, что при увеличении р должно увеличиваться и Т , что приводит к растяжению стенки сосуда и увеличению его радиуса R.

Но т.к. объем стенки аорты можно считать постоянным, то увеличение ее радиуса должно сопровождаться утончением стенки, что в свою очередь ведет к разрыву аневризмы. Таким образом, причиной возникновения аневризмы является не только возросшая амплитуда артериального давления, но и изменение механических свойств артериальной стенки.

VII. Скорость кровотока. Изменение скорости кровотока в зависимости от размеров сечения сосудов.

Кровообращение у человека и животных – это движение крови по «трубам» - кровеносным сосудам. Движение крови по сосудам напоминает движение воды по водопроводу. Согласно закону Паскаля, неподвижная жидкость в сосуде передает внешнее давление одинаково во всех направлениях. Но когда жидкость течет по трубе (кровь по сосудам), без учета трения жидкости о трубу, площадь поперечного сечения которой на разных ее участках различна, то давление оказывается неодинаковым вдоль трубы (сосуда).

1. Физическое выражение зависимости скорости течения от площади поперечного сечения сосуда.

В движущейся части давление (р) зависит от площади сечения (S), а следовательно, и от скорости жидкости (крови) (υ ). Т.к. жидкость (кровь) практически несжимаема, то количество жидкости, проходящее за время t через поперечное сечение S1, равно количеству жидкости (крови), проходящей за это же время через сечение S2. Если бы протекало разное количество жидкости (крови), то избыток жидкости (крови) должен накапливаться где-то; но жидкость заполняет всю трубу (сосуд) и накапливаться ей негде. Значит, V1=V2 (объемы вытесненной жидкости /крови/ за время t). Раскроем объемы и получим: S1 ι1 = S2 ι2 . Но ι1 = υ1 t, ι2 = υ2t. Получаем S1 υ1 t = S2 υ2 t, S1 υ1= S2υ2.

Данное уравнение называется уравнением неразрывности. Из него следует: при стационарном течении жидкости скорости движения ее частиц через разные поперечные сечения трубы обратно пропорциональны площадям этих сечений. Т.е. при прохождении узких частей трубы (сосуда) скорость жидкости (крови) больше и наоборот.

  1. Закон Бернулли применительно к кровообращению.

Несоответствие между скоростью течения крови и ее давлением.

Значит, при проходе жидкости из трубы с большим сечением (S1 ) в трубу (сосуд) с меньшим сечением (S2), скорость ее увеличивается, следовательно, жидкость движется с ускорением. А причиной ускорения является сила. Этой силой, в данном случае, является разность между силами давления жидкости (крови) в широком и узком сечениях. Fдавл.= p S , Fдавл = S1 – р2)

. Чем больше S, тем больше p. Сопоставив и

имеем :

Следовательно, при стационарном течении жидкости в тех местах, где скорость течения меньше, давление в жидкости больше и, наоборот, там, где скорость течения больше, давление в жидкости меньше. К этому выводу впервые пришел Бернулли, поэтому данный закон называется законом Бернулли.

VIII. Кровеносные капилляры .

Кровеносные капилляры - это самые тонкостенные сосуды, по которым движется кровь. Они имеются во всех органах и тканях. Кровеносные капилляры обеспечивают ткани организма кислородом и питательными веществами, забирают из тканей продукты жизнедеятельности тканей и углекислый газ. Кроме того практически во всех органах и тканях капилляры служат «мостиком» между артериальной и венозной системами. По данным микроскопических исследований капилляры имеют вид узких трубок, стенки которых пронизаны субмикроскопическими «порами». Капилляры бывают прямыми, изогнутыми и закрученными в клубочек. Средняя длина капилляра достигает 750 мкм, а площадь поперечного сечения - 30 мкм2 Диаметр

просвета капилляра соответствует размеру эритроцита (в среднем). Стенки капилляров проницаемы для продуктов обмена организма (вода, молекулы). По ходу капилляров расположены чувствительные нервные окончания, посылающие в соответствующие центры нервной системы сигналы о состоянии обменных процессов. Капилляры – та часть системы кровообращения, ради которой эта система существует.
Гидравлическое сопротивление всей системы капилляров невелико: если на входе в капилляры давление крови 20-40 мм рт.ст.,то на выходе – 8-15 мм рт. ст., и это несмотря на впечатляющую суммарную их протяженность. Объяснение тому – очень малая скорость движения крови в этих сосудах: порядка 0,5 мм/с.

IX. Практическая работа.

1. Определение экономичности работы сердца.

В исследовании участвовали 25 учащихся 9 класса.

Ход работы:

1. Считаем пульс за 1 минуту (А)

2. Делаем 15 приседаний и вновь подсчитаем пульс (В)

3. Подсчитываем экономичность работы сердца по формуле:

Э = (В – А)/В*100%, где А – пульс за одну минуту, В - пульс за одну минуту после физической нагрузки. Если результат не превышает 30%, то сердце работает экономично.

Вывод: 24 учащихся – сердце работает экономично,1 – высокий уровень нагрузки.

2. Измерение кровяного давления учащихся.

В исследовании участвовали 28 учащихся 9 класса.

Вывод: 16 учащихся – давление в приделах нормы.

11 учащихся – давление выше нормы.

1 учащийся – давление ниже нормы.

Вывод: В ходе измерения давления у разных учеников в зависимости от состояния здоровья давление различное. Учащимся, у которых давление не в норме рекомендовано следить за своим здоровьем.

3.Определение работы собственного сердца.

Физиологи определяют работу сердца с помощью формулы А=М·Д·С, где М- масса крови (кг.), С – число сердцебиений за 1 минуту, Д – давление крови в аорте (Па.). Рассчитываю приблизительную работу левого желудочка а) за сутки, если М=0,07 кг, Д=140мм.рт.ст, С=72удара/мин.

1мм.рт.ст. = 133,3Па, 140мм.рт.ст.=18662Па ≈19кПа, А=0,07кг·18662Па·72удара/мин·1440мин ≈ 135,36МДж. б) за год ≈49406,4 МДж в) за 14 лет ≈691689,6МДж

4. Определила сколько литров крови за год прокачивает сердце человека, если за 1 с оно прокачивает 0,1 л крови? (Ответ: 3 153 600л)

5. Окрашиваем цветок

У растений есть два типа сосудов. Сосуды-трубочки, являющиеся ксилемой, передают воду и питательные вещества снизу вверх – от корней к листьям. Образующиеся в листьях при фотосинтезе питательные вещества идут сверху вниз к корням по другим сосудам – флоэме. Ксилема находится вдоль края стебля, а флоэма – у его центра. Такая система немного похожа на кровеносную систему.

Оборудование: свежесрезанный цветок (белый нарцисс), ваза с водой, пищевой краситель.

1. Обрезаю цветок, оставив около 5 см стебля.
2. Добавляю в цветочную вазу несколько капель красителя.
3. Ставлю цветок в воду на несколько часов. Через сутки лепестки окрашиваться под цвет воды в вазе.

Что происходит? Цветок «всасывает» окрашенную воду через узкие сосуды-трубочки в стебле. Этот опыт наглядно демонстрирует, что капиллярные силы могут преодолеть силу гравитации. И что диффузия – основа газообмена и обмена веществ при кровообращении.

X. Заключение.

1) Все законы анатомии подчинены законам физики!

2) Непрерывность кровотока в организме обеспечивается биологическими и физическими закономерностями.

3) Для нормальной работы кровеносной системы необходима физическая работа, т.е подвижный образ жизни.

XI. Список используемой литературы.

1. http://fizika.in/mehanika/zakoni-soxraneniya/

2. http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/index.htm

3. http://sdorov.ru/organizm/krovenosnaya-sistema/

4. http://dic.academic.ru/

5. http://www.physel.ru/

6. http://ru.wikipedia.org/

7. Занимательная физика. ЯИ. Перельман

8. Физика и биофизика. В. Ф. Антонов, А. Коржуев, Издательство: ГЭОТАР-Медиа, 2010

9. Биофизика. В.В. Ревин, Г.В. Максимов, О.Р. Кольс. Саранск. Издательство Мордовского университета, 2002


XII. Приложение.

Для оценки уровня артериального давления используется классификация Всемирной организации здравоохранения, принятая в 1999 году.

Категория артериального давления*

Систолическое (верхнее) артериальное давление мм рт. ст.

Диастолическое (нижнее) артериальное давление мм рт. ст.

Норма

Оптимальное**

Менее 120

Менее 80

Нормальное

Менее 130

Менее 85

Повышенное нормальное

130-139

85-89

Гипертония

1 степень (мягкая)

140—159

90-99

2 степень (умеренная)

160-179

100-109

3 степень (тяжелая)

Более 180

Более 110

пограничная

140-149

Менее 90

Изолированная систолическая гипертония

Более 140

Менее 90

* Если систолическое и диастолическое артериальное давление оказывается в различных категориях, выбирается высшая категория.
** Оптимальное по отношению к риску развития сердечно-сосудистых осложнений и к смертности
Термины «мягкая», «пограничная», «тяжелая», «умеренная», приведенные в классификации, характеризуют только уровень артериального давления, а не степень тяжести заболевания больного.




Мембранный тонометр.

Измерение артериального давления

с помощью ртутного тонометра.


Похожие:

«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика icon«Первые шаги в науку» «Радиационная безопасность населения Брянской области». Предметная область физика
В ходе данной исследовательской работы мы убедились, что в нашей области ведется систематический контроль уровня радиации. Мы хотим...
«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика icon«Первые шаги в науку» «Геометрические фигуры в архитектуре» Предметная область: математика
Необходимость построения прямоугольника, нахождение размеров для заготовки материала и другие неизбежные в строительстве операции...
«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика iconНаучно-практическая конференция «Первые шаги в науку» Предметная область: биология
Я живу в сельской местности, где остро стоит проблема трудоустройства населения, поэтому многие семьи в нашем селе ведут домашнее...
«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика icon«Первые шаги в науку» Предметная область экология «содержание нитратов в продуктах питания»
Для сохранения и укрепления здоровья лучше есть больше овощей и фруктов. По Брегу, 3/5 от всей употребляемой пищи должны составлять...
«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика iconПрограмма ХIII городской научно-практической конференции школьников «первые шаги в науку»
Программа XIII городской научно-практической конференции школьников «Первые шаги в науку»/ Составители: Дубченко Е. А., Тараканова...
«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика iconПрограмма VII международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук»
Секция №1 Физика: физика ускорителей, физика конденсированного состояния, физика поверхности, физические основы радиационных и плазменных...
«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика iconВнеклассное мероприятие «Кошка и физика»
Физика наука о природе. Мы, как и "братья наши меньшие" -домашние животные, частицы этой природы, значит все законы физики должны...
«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика iconНазвание работы
Наименование конференции: Международная научно-практическая конференция «Первые шаги в науку»
«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика iconМеждународная конференция «Первые шаги в науку» Формирование общего способа исследования в классе иррациональных уравнений
Методическая система формирования общих способов исследования иррациональных уравнений стандартного вида типа I и типа II
«Первые шаги в науку» «Физика внутри нас. Кровеносная система» Предметная область физика icon«Первые шаги в науку», 2013 год архитектура могилева: век ХХ на перекрестке тысячелетий
Содержание I. Введение
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница