Исследование физических возможностей человека. Теоретическая часть проектной работы «Физика и человек»

Исследование физических возможностей человека.

Введение.
Человек существо многогранное: человек покорил все высочайшие горные вершины мира, опустился в самые глубокие точки мирового океана, покорил небо, побывал на Луне, расщепил ядро. Но чаще всего мы не задумываемся, а что мы представляем из себя, что мы можем сделать и какими возможностями, ресурсами мы сами обладаем?
Человек является объектом и субъектом физического познания. Он взаимодействует с окружающей его естественной и искусственной средой. Человек с точки зрения физики является перемещающимся и взаимодействующим объектом, обладает энергией, совершает работу, имеет большие физические возможности. Такие изобретения человека, как гипотеза, модель, теория, наблюдение, эксперимент он может применить не только для объяснения окружающего мира, но и для изучения себя в этом мире.
В данной работе представлен материал по теме «Физические возможности человека». Его можно использовать с целью гуманитаризации процесса обучения физике на факультативных занятиях, при составлении рабочей программы по элективным курсам, для занятий в классах химико-биологического профиля, гуманитарного профиля. Выполнение лабораторных работ и решение физических задач позволят оценить физические характеристики человека. Для проведения практических работ требуются простые установки и средства измерения. Изучая самого себя, можно более осознанно применять на практике физические законы.
Необходимость использования идей гуманитаризации преподавания физики связана с существенным изменением содержания школьного образования, с появлением специализированных классов гуманитарного и химико-биологического профиля.
Под гуманитаризацией образования мы понимаем: поворот школы к проблеме развития личности учащегося; воспитание гражданских качеств; развитие мышления; приобщение к культурным ценностям. В настоящее время в педагогической литературе выделяют три основных направления гуманитаризации:
Усиление мировоззренческой и методологической ориентации курса физики;
Изучение человека как объекта и субъекта физического познания;
Осуществления связи преподавания физики с предметами эстетического цикла.
Основные направления гуманитаризации образования:
Гуманитаризация физики с позиции интересов учащихся позволяет подходить к отбору содержания курса физики и организации учебного процесса, учитывая личность ученика, его интересы и потребности.
Применение элементов и методов гуманитарных знаний позволяет создать комфортные условия для всестороннего гармонического развития личности в учебном процессе, развитии творческих способностей учащихся.
Использование гуманитарного потенциала физики. Под гуманитарным потенциалом мы понимаем не только использование отрывков литературных произведений с описанием природных явлений, живописных полотен, телевизионных программ, написание мини-сочинений и т.д., но в большей степени использование мировоззренческого, нравственного, эстетического, гражданского аспекта.
Изучение человека, как объекта и субъекта физического познания. Данный прием позволяет показать ценность физических знаний за счет применения знаний и методов физики к проблемам человека. Наиболее интересны следующие аспекты проблемы:
А) Воздействие физических полей земли, Солнца, околоземного пространства на формирование и развитие человека. Природа формирует все живое по своим законам. Живые организмы развивают в себе те свойства и функции, которые в наибольшей степени способствуют оптимальной приспособляемости организмов к условиям окружающей среды. Всегда живой интерес на уроке вызывает использование вставок «Физика и здоровье человека», «Техническое и бытовое окружение человека».
Б) Рассмотрение фактов, иллюстрирующих действия законов физики в мире человека.
В) Создание технических устройств по образу и подобию человеческих органов или приспособлений животных (фотоаппарат, обтекаемая форма судов, ласты и т.д.).
Г) Связь человека, как физического объекта с мировоззренческими идеями (попытки создания наук, объясняющих функционирование человеческого организма, как механической системы, термодинамической, электродинамической системы).
Д) Человек науки (ученый как состояние души); становление творческой личности в детстве и юности; роль гуманитарного образования; общее и различия в действиях теоретика и экспериментатора.
Е) Личность ученого и художника (различие в восприятии, специфика методов постижения научной и художественной правды; рациональное и иррациональное мышление; интуиция в науке).

Цель работы: Изучение физических возможностей человека на основе знаний школьного курса физики.
Задачи:
Изучить понятия, характеризующие физические возможности человека с точки зрения механики.
Провести анализ физических возможностей человека и антропометрических характеристик человека в школьном курсе физики.
Составить задания в виде практических (лабораторных) работ, задач по тематике исследования.
Объектом исследования является человек.
Вид исследования носит теоретический характер.
Методы исследования: работа с источниками информации, мысленный эксперимент, измерения, сравнения, эксперимент, анализ, синтез.
Мир гармонии человека раскрывается в практических заданиях по изучению и исследованию физических возможностей человека на основе усвоения знаний по базовому курсу физики.
Гипотеза исследования: появление интереса в исследовании физических возможностей человека создает основу для поиска новых подходов в осознании физических знаний.
Знание теоретических основ физики могут помочь человеку познать и глубже изучить свои возможности. Используя материально техническую базу кабинета физики, можно ограничиться исследованием определенных физических возможностей человека.
Результатом работы является разработка новых подходов, углубляющих и расширяющих представления о человеке на основе изучения школьного курса физики.
К физическим характеристикам человека можно отнести такие физические величины, как скорость, перемещение, ускорение, перегрузка, масса, плотность, вес тела, сила тяжести, сила трения, сила упругости, сила удара, механическая работа, мощность, энергия, давление, температура, частота механических колебаний, интенсивность звука. Это механические характеристики объекта, изучаемые на уроках физики. Важными параметрами окружающей человека среды являются: атмосферное давление, температура, влажность воздуха. Физические параметры человека (механические, звуковые, тепловые, оптические, электрические) представлены в приложении в соответствующих таблицах.
Возможность – это объективная тенденция развития объекта. К некоторым физическим возможностям человека можно отнести: бег на различные дистанции, прыжки в длину, в высоту, метание спортивных снарядов, перегрузки, связанные с изменением веса тела, силы, развиваемые человеком (ручная, становая, сила удара и др), совершение работы по поднятию и перемещению тел, мощность, развиваемая человеком в различных физических упражнениях, расход энергии при различной деятельности.
В школьном курсе физики не уделяется большого внимания изучению физических возможностей человека. Мы проанализировали содержание учебников школьного курса физики по программе основной школы «Физика – 7», «Физика –8», «Физика –9» авторов А.В. Гутник, Е.М. Перышкин.
В результате анализа было обнаружено, что о человеке, как об объекте физического познания говориться в курсе физики 7 класса:
при изучении пройденного пути,
средней скорости,
давления человека на опору,
при изучении атмосферного давления,
механической работы, мощности, энергии,
при применении простых механизмов.
Это отражено в задании №4, Упр 4(4,5), Упр 11(1,2,3), Упр 12(4), в задании № 6, в Упр 18 (2), Упр 21(4), в задании № 17, в Упр 29(2), Упр 30(1,2), Упр 31(2).
В курсе физики 8 класса тема исследования затрагивается при изучении некоторого теоретического материала:
испарение влаги с поверхности тела человека,
оптимальная влажность воздуха для нормальной жизнедеятельности человека,
безопасные значения силы тока и напряжения для человеческого организма,
видимое излучение, воспринимаемое глазом человека.
В содержании учебника физики для 9 класса мы обнаружили нужную информацию при изучении тем:
перемещение,
координаты тела,
неравномерное прямолинейное движение,
относительность движения,
сила, второй закон Ньютона,
закон всемирного тяготения,
закон сохранения импульса,
явление механического резонанса при ходьбе,
звуковые колебания воспринимаемые ухом человека, эхо, источники голоса человека,
видимое излучение воспринимаемое глазом человека,
воздействие ионизирующих излучений на живой организм.
Эта информация содержится в заданиях: Упр.3(1,2), Упр.6(1,2), Упр.7(1), Упр.9(4), Упр.11(1), Упр.15(4),Урп.21, Упр.22,Упр.27(2), Упр.29, Упр.32(3,4,5).
В материалах учебника физики 10 класса, под редакцией А.В.Касьянова, о характеристиках человека говорится при изучении:
скорости движения тела,
относительности движения,
неравномерного движения,
движения под углом к горизонту,
при изучении силы упругости и закона Гука,
веса тела,
закона сохранения импульса,
механической работы, энергии, мощности,
закона сохранения энергии,
при изучении процессов парообразования с поверхности кожи человека,
предела прочности костной ткани, модуля упругости,
диапазона длин волн, вызывающих у человека слуховые ощущения,
при распространении звуковых волн в различной среде.
В курсе 11 класса информации о физических характеристиках человека содержится немного:
изучается электромагнитное излучение воспринимаемое глазом человека,
изучается человеческий глаз, как оптическая система,
рассматривается биологическое действие ионизирующих излучений на живой организм.
В таблице №4 представлена магнитная индукция тела человека.

В результате проведения практической (лабораторной) работы была определена скорость равномерно движущегося объекта без использования измерительных приборов. Для определения расстояния использовалась длина своей пяди. Это расстояние между большим и средним пальцами напряженной ладони. Время движения определялось с помощью измерения числа ударов пульса. Скорость движения игрушечного автомобиля оказалась равной 0, 588 м/с. Практическим путем была измерена важная характеристика организма человека – время его реакции. Опыт проводился с двумя учащимися 10 класса в возрасте 15 лет. Время реакции Игоря оказалось равным 0,335 с, время реакции Максима – 0,286 с. Движение тела с заданной начальной скоростью в горизонтальном направлении было изучено с помощью практической работы №3. Была определена скорость движения указательного пальца (и бруска соответственно) при горизонтальном щелчке. Начальная скорость горизонтального полета оказалась равной 1,18 м/c в направлении оси –x при падении со стола высотой 75 см. Мы смогли оценить собственную мощность, которую мы развиваем при прыжке в высоту с места. Высота подъема центра тяжести своего тела была равна расстоянию от пола до подошв обуви во время прыжка. Был измерен путь, на котором действует сила мышц ног при разгибании колен и начальная скорость, с которой человек отрывается от земли. Мощность, развиваемая Игорем (m=70 кг) при прыжке в высоту получилась равной 1940,3 Вт, а развиваемая Максимом (m= 64 кг) – 1227 Вт. При уменьшении приседания (S) мощность возрастает. Это видно из формулы .Если мы вообще не будем приседать, то не сможем оторваться от Земли. Полученную при прыжке мощность можно сравнить с мощностью, развиваемую человеком при ходьбе (60 Вт) и с мощностью в 1л. с. Мы рассчитали механическую работу и мощность, развиваемую человеком при равномерном подъеме с первого на третий этаж школы. Для человека массой 63 кг они оказались равными 3970 Дж и 152,7 Вт соответственно. Зная теорию механических колебаний, можно определять рост человека с помощью нитяного маятника и часов. Период нитяного маятника зависит от длины нити и ускорения свободного падения, которое в поле тяготения Земли остается постоянным. Период можно определить, измерив точно время определенного числа колебаний. По расчетам рост человека получился равным 1,745 м, а истинный рост учащегося был равен 1, 75м. С помощью практической работы №9 мы смогли изучить свойства нитяного маятника и выяснить, что период его колебаний не зависит от массы маятника и амплитуды его колебаний. Мы научились определять относительную влажность воздуха в классе с помощью измерения точки росы и температуры окружающего воздуха. Она оказалась равной 35,16%, а измеренная с помощью психрометра -37 %.

Основная часть.
Скорость.

Скорость одна из важнейших физических величин, характеризующих быстроту перемещения тела с течением времени.
Диапазон скоростей, известных человеку, очень велик. Наименьшая из скоростей примерно равна 10 -11 м/с. Это скорость геологических изменений на поверхности Земли. Наибольшая из известных человеку скоростей 3 *108 м/с скорость света в вакууме. Движение материальных тел и сигналов со скоростями, большими скорости света, запрещено теорией относительности Эйнштейна.
По данной теме предлагается лабораторная работа №1 «Определение скорости движения игрушечного автомобиля». Организовать эту работу следует так, чтобы в качестве измерительного прибора для определения s и t учащиеся использовали частоту ударов собственного пульса и длину своей пяди. Учащиеся проделывают эту работу с большим интересом, приобретая при этом полезные в некоторых ситуациях знания.
Для закрепления понятий средней и мгновенной скорости, для лучшего уяснения разницы между ними, а также с целью доказательства того факта, что человек может быть объектом изучения кинематики, предлагается рассмотреть следующие задачи.
Задача. «Похищенного рэкетирами» ребенка везут в автомобиле. Ребенок сквозь щель в кузове замечает, что расстояние между двумя соседними километровыми столбиками (1км) соответствует 40 ударам его пульса. С какой скоростью едет автомобиль?
Задача. Мировой рекордсмен в беге на 10 000 м преодолел свою дистанцию за 27,23 с. Мировой рекордсмен в беге на 100 м преодолел свою дистанцию за 9,8 с. Каковы средние скорости этих бегунов?
Задача. Человек две трети пути прошел со скоростью 5 км/ч, а оставшуюся часть пути со скоростью 4 км/ч. Определите среднюю скорость пешехода на всем пути.
Задача Про движение рекордсмена-марафонца на дистанции известно следующее. Путь 42 км 195 м он преодолел за время 2 ч 21 мин 5 с. При этом расстояние 2813 м он пробежал со скоростью 4 м/с, на следующей трети пути его скорость была 4,5 м/с. Какой была его скорость на оставшейся части дистанции?
Задача. Рекордсмен мира по конькам преодолел дистанцию 10 000 м за 13 мин 48,2 с. Чему равна: а) средняя путевая скорость конькобежца
l длина дистанции);
б) средняя скорость конькобежца

перемещение), если для преодоления дистанции ему пришлось пробежать 25 полных кругов по стадиону?
Задача. Половину времени пловец двигался по дистанции с постоянной скоростью 2,01 м/с. С какой постоянной скоростью должен он плыть оставшееся время, чтобы повторить рекорд, составляющий для данной дистанции скорость 2,05 м/с?
Интересно обсудить с учащимися вопрос о том, насколько быстро может бежать человек.
Познакомьтесь с таблицей «Мировые спортивные рекорды» в книге А.С.Еноховича «Справочник по физике и технике».
Рассчитайте среднюю скорость спортсменов на приведенных дистанциях. Проследите, как она меняется при увеличении длины дистанции. Постройте график зависимости средней скорости бега от длины дистанции
Примерный ход графика показан на рисунке 1. Из него видно, что скорость бега при установлении мировых рекордов равномерно уменьшается с увеличением дистанции, увеличиваясь, правда, на дистанциях до 200 м.
Разобраться в ходе этой кривой можно, исследовав мгновенную скорость бегуна в процессе забега. Ее поведение показано на рисунке 2. Бегун начинает движение из состояния покоя и разгоняется, пока не достигнет максимальной скорости. Для бегуна-мужчины время ускорения составляет приблизительно 2 с или меньше, а его максимальная скорость достигает значения около 10,5 м/с. Средняя скорость на дистанции, однако, оказывается меньше 10,5 м/с, так как средняя скорость за период ускорения составляет половину максимальной. Поэтому средняя скорость при забеге на 200 м больше, чем при забеге на 100 м, так как бегун на большую дистанцию большую часть общего времени забега пробегает на максимальной скорости. Если бы бегун мог поддерживать свою максимальную скорость бесконечно, то средняя скорость продолжала бы расти с увеличением дистанции. Однако известно, что бегуну это не под силу и средняя скорость начинает падать при забегах на дистанции больше чем 200 м. Точную длину дистанции, на которой скорость начинает падать, определить невозможно, поскольку на дистанции между 200 м и 400 м официальный рекорд не регистрируется. Примерно она равна 300 м.
Можно предположить, что одна из причин состоит в том, что бегун начинает испытывать недостаток кислорода. 300 м это, очевидно, та дистанция, преодолевая которую человек успевает израсходовать весь свой запас кислорода. Следовательно, для преодоления больших дистанций бегун должен ограничить себя меньшей скоростью, чтобы кислорода хватило на весь забег. Только спринтеры (бегуны на короткие дистанции) все время бегут на максимальной скорости.
На соревнованиях бегун стремится победить соперника, что диктует ему стратегию забега. Она отличается от той, что дает наилучшее время. Если же бегун старается побить рекорд, то он должен выбрать ту скорость, которая соответствует полному истощению его запаса кислорода к моменту пересечения финишной черты.



Ускорение

Важной характеристикой неравномерного движения является ускорение. Ускорение показывает изменение скорости за единицу времени.
Расчетные задачи на ускорение могут быть следующими.
Задача Какое ускорение развивает бегун на дистанции 100 м для достижения максимальной скорости 11,2 м/с? Время разбега равно 2 с.
Задача. Предположим, что спринтер за 1,8 с может разогнаться из состояния покоя до максимальной скорости 10,8 м/с. Каково будет время на финише, если ему удастся сохранить эту скорость?
Задача. Предположим, что другой спринтер, разгоняясь равноускоренно, может достичь максимальной скорости за 1,7 с. Какую максимальную скорость должен он поддерживать, чтобы не уступить мировому рекорду (19,5 с) на дистанции 200 м?
Задача. При беге на длинную дистанцию (например, на 1500 м) большинство бегунов избирают сравнительно невысокий темп на среднем участке забега, но потом они делают рывок к финишу. Правильна ли эта стратегия для установления рекорда? Может ли эта стратегия быть верной для повышения вероятности победы в забеге?
Задача. Известен способ определения ускорения по углу, на который отклоняется при движении подвешенный на нити грузик. Изготовьте такой прибор и с его помощью измерьте ускорения, которые вы развиваете при езде на велосипеде, при катании на роликовой доске и т.п. Какое ускорение измеряет данный прибор?
Задача Парашют раскрывается примерно за 2 с. Пусть за это время скорость парашютиста равномерно уменьшается от скорости свободного падения 250 км/ч до нуля. Какое ускорение испытывает при этом парашютист? Выразите это ускорение через g. Опасны ли прыжки с парашютом для лиц, теряющих сознание при 5g?

Перегрузки

В отличие от скорости, значение которой не ощущается человеком, ускорение - изменение скорости - может влиять на человека. Возрастание ускорения по сравнению с ускорением свободного падения g, которое человек испытывает, находясь на поверхности Земли, называется перегрузкой. Перегрузки, возникающие при движении с большими ускорениями, опасны для человека. При перегрузках происходит замедление кровообращения. Действительно, в норме давление крови у человека на уровне сердца составляет 0,12 атм. Но так как голова человека находится на 30 см выше сердца, то при ускорении 4g этого давления достаточно лишь для того, чтобы кровь могла дойти до головного мозга. Чтобы обеспечить кровообращение мозга при 8g, сердце должно увеличить напор крови более чем вдвое. При ускорении 5g, направленном вдоль тела в направлении ноги голова, кровь утяжеляется настолько, что сердце вообще не может гнать ее к голове. Человек испытывает ощущение «черной пелены» перед глазами и теряет сознание. Если ускорение направлено в противоположную сторону (голованоги), перед глазами встает «красная пелена» и наступает потеря сознания в результате прилива крови к голове. Уже при ускорении, несколько большем g, у человека нарушается зрение и появляются галлюцинации. Определенный вклад в ощущение человеком перегрузки дает увеличение давления одних внутренних органов тела на другие. Ускорения, превышающие 10g, человек может переносить в течение 1 секунды.
Возникновение перегрузок обычно связывают со стартами космических кораблей, когда космонавт во время работы двигателей (порядка 5 с) испытывает перегрузки, равные 7-9.
Большие перегрузки (до 10) возникают при раскрытии парашюта, управляемом спуске космического аппарата, резком маневрировании на скоростном самолете, автомобильной аварии. Познакомьтесь с материалом таблицы «Перегрузки».
Перегрузка определяется отношением веса человека при движении с ускорением к весу его тела в покое.
Методы борьбы с опасными перегрузками предложил К.Э.Циолковский. Один из них помещение космонавта при старте и финише ракеты в жидкость с плотностью, равной плотности тела человека. Второй способ, подтвержденный многочисленными опытами и применяемый в современной космонавтике, заключается в расположении тел космонавтов так, чтобы ускорение было направлено перпендикулярно длинной оси человеческого тела. Последнее делается для того, чтобы, уменьшая размеры подвергнутых деформации кровеносных сосудов, свести к минимуму нарушение условий кровообращения.
Задача. Оцените размеры тела человека, исходя из предположения, что независимо от позы и перегрузки, испытываемой человеком, давление в кровеносных сосудах должно оставаться неизменным, чтобы человек чувствовал себя комфортно.
Решение
Из равенства
·р =
·р', где
·р =
·gh разность давлений, обусловленная перепадом высот между ступнями ног человека и его головой;
·р' =
·'g'
·h разность давлений, обусловленная перепадом высот кровеносных сосудов лежащего человека, следует
·gh=
·'g'
·h, откуда h= g'
·h/g. Но g'=10 g, а
·h=0,2 м. Тогда h=10 g 0,2 м/g = 2 м.
Тренированные люди в горизонтальном положении способны переносить без последствий для здоровья перегрузки до 30.
При авариях человек испытывает большие перегрузки. Интересно рассмотреть их значения и роль средств безопасности для выживания потерпевших.
В результате многочисленных экспериментов на манекенах и изучения статистики несчастных случаев на дорогах удалось выяснить, что реальные шансы выжить имеют те автомобилисты, чье ускорение при аварии не превышает 30g. Усвоению этого вывода поможет решение таких задач.
Задача. Автомобиль, движущийся со скоростью 50 км/ч, врезается в дерево. Передняя часть автомобиля деформируется, а тело водителя, не пристегнутого ремнями безопасности, перемещается на 0,7 м и останавливается. Определите среднее ускорение водителя во время этого столкновения. Ответ выразите в долях g. Какое ускорение испытает водитель при скорости движения 100 км/ч?
Задача. Человек, плотно пристегнутый ремнями безопасности, имеет все шансы уцелеть а автокатастрофе, если тормозящее ускорение по модулю не превышает 30g. Предполагая, что автомобиль тормозится с постоянным ускорением 30g, определите, на какую деформацию (в целях обеспечения безопасности) должна быть рассчитана передняя часть автомобиля, если авария происходит при скорости 100 км/ч.
Задача. Рассчитайте ускорение ступни и головы человека при торможении о пол, если известно, что скорость падения 3 м/с, а прогиб поля равен 1 мм. (Можно считать, что голова от начала удара до опускания на полусогнутые ноги пройдет путь 0,6 м.)
Задача. Предположим, что для комфортабельных условий полета модуль горизонтальной составляющей ускорения не должен превышать 10 м/с2. Каким при этом может быть наименьшее время полета между двумя городами, находящимися на расстоянии 400 км друг от друга?

Свободное падение тел

Свободное падение тел (движение тел вблизи поверхности Земли с ускорением g = 9,8 м/с2) представляет особый интерес, так как позволяет привлечь внимание учащихся к одной из основных характеристик окружающего человека мира ускорению свободного падения.
Значением ускорения свободного падения определяются высота гор и деревьев, размеры и форма тел животных и человека и т.д.
Большой интерес у учащихся вызывает рассказ преподавателя о внешнем виде и физиологических особенностях гуманоидовжителей планеты с другими по сравнению с Землей характеристиками, например с большим значением ускорения свободного падения. Действительно, в соответствии с выражением Р = (gh при неизменных характеристиках состава вещества и структуры тела животные и человек на такой планете должны обладать меньшим ростом, но более развитой мускулатурой.
В подтверждение этого можно привести следующие расчеты. Удельная сила, определяемая отношениемпропорциональна отношению
Получается, что, чем меньше рост человека, тем большую силу он может развить.
Последнее обстоятельство потребовало бы для наших гипотетических существ более крепкого телосложения, более коротких конечностей, более тяжелых костей при той же прочности материала, что и у жителей Земли. В мире больших ускорений свободного падения малый ребенок был бы предпочтительнее при беременности, что привело бы к уменьшению среднего веса взрослых людей. Большое ускорение свободного падения, означающее, что тела на этой планете должны падать быстрее, потребовало бы от жителей этой планеты более быстрой и точной мускульной реакции. Случайные падения для них стали бы более опасными, вероятнее стали бы смертельные исходы и ушибы. Однако по скорости бега и дальности бросания жители этой планеты уступили бы землянам.
Для иллюстрации того факта, что свободное падение равноускоренное движение, можно предложить следующие задачи.
Задача. Определите время реакции человека.
Можно использовать эту задачу для проведения лабораторной работы №2 (см. Приложение).
Задание вызывает большой интерес у учащихся, служит выяснению еще одной важной характеристики человеческого организма и пополнению таблицы «Возможности человека».
Задача. Какова предельно допустимая скорость приземления парашютиста, если человек может безопасно прыгать с высоты 2 м?
Задача. Ускорение свободного падения на Земле примерно в 6 раз больше, чем на Луне. На какую высоту взлетит тело на Луне, если на Земле его удалось подкинуть вверх на 23 м?
Задача В романе известного американского фантаста А.Кларка «2061: Одиссея три» рассказывается об экспедиции на комету Галлея. Чему равно ускорение свободного падения на поверхности кометы, если, по словам Кларка, наблюдателю потребуется 15 с, чтобы опуститься на 1 м?
Задача. Супермен стоит у окна на высоте 30 м над уровнем земли. Мимо пролетает ребенок, выпавший из окна, находящегося на высоте 45 м над уровнем земли. С каким ускорением (из состояния покоя) должен супермен спускаться по лестнице, чтобы успеть поймать падающего ребенка?
Задача. С каким ускорением должен спускаться по лестнице супермен, находящийся на смотровой площадке Эйфелевой башни, чтобы перехватить парашютиста, спрыгнувшего с той же площадки на 2 с раньше? Высоту площадки принять равной 150 м. Парашютиста считать свободно падающим.

Движение тела, брошенного под углом к горизонту

Проблема поражения цели, удаленной на некоторое расстояние, была одной из первых технических задач, вставших перед древним человеком. Бросок камня или другого метательного снаряда, «удлиняя» руку человека, расширял доступное ему пространство, вел к увеличению его возможностей повышал в конечном счете «уровень жизни» древнего человека.
Оценить возможности человека в достижении цели, удаленной на расстояние, при броске камня можно на следующем примере.
Задача. Человек бросил камень под углом 45° к горизонту с начальной скоростью 20 м/с. На какое расстояние улетит камень?
Применительно к данной теме можно выполнить лабораторную работу №3 «Определение скорости движения указательного пальца при горизонтальном щелчке». Учащиеся научатся определять начальную скорость тела, заданную в горизонтальном направлении.
Понятна дальнейшая логика развития метательной техники. Желая улучшить летные качества снаряда, ему придавали все более обтекаемую форму, снабжали острием для увеличения его поражающей способности, оперением для обеспечения устойчивости при полете. Так появились дротик, копье, стрела, ядро. Гениальным достижением древних людей, приведшим к существенному прогрессу цивилизации, было изобретение приспособлений, способных накапливать, «аккумулировать» мускульную силу человека в виде потенциальной энергии упругой деформации. Накопленная в этих устройствах энергия, мгновенно высвобождаясь, превращалась в кинетическую энергию движущихся частей устройства, еще больше расширяя границы человеческих возможностей. Здесь имеются в виду такие устройства, как праща, лук, арбалет, катапульта и т.д.
Спортивные соревнования по метанию различных снарядов: копья, молота, ядра, а также стрельба из лука отзвук и память об одном из древнейших видов деятельности человека.
Интересно и поучительно проследить, как влиял процесс совершенствования метательных снарядов на характеристики их полета. Можно предложить учащимся следующую задачу.
Задача. Рассмотрите таблицу и пополните ее недостающими данными.
Характеристики полета спортивных снарядов

Снаряд
Угол вылета, °
Скорость вылета, м/с
Дальность полета, м

Ядро
40
14
?

Диск
?
25
60

Молот
45
?
70

Копье
38
35
?

Задача. Прыгун в воду, разбегающийся со скоростью 3,2 м/с, прыгает с вершины утеса и достигает поверхности воды через 1,5 с. Какова высота утеса и на каком расстоянии от его подножия прыгун погружается в воду?
Задача Теннисист при подаче запускает мяч с высоты 2 м над землей. На каком расстоянии от места подачи мяч ударится о землю, если начальная скорость направлена под углом 30° к горизонту и равна 20 м/с?
Задача Мальчик ростом 1,5 м, стоя на расстоянии 15 м от забора высотой 5 м, бросает камень под углом 45° к горизонту. С какой минимальной скоростью надо бросить камень, чтобы он перелетел через забор?
Задача. Во время спортивных соревнований диск был брошен на расстояние 53,1 м. С какой минимальной скоростью надо бросить диск, чтобы он пролетел это расстояние, если g 9,81 м/с2 (тело брошено на полюсе)? Как далеко улетел бы диск при такой же скорости и угле бросания на экваторе, где g - 9,78 м/с2? Какие данные следовало бы добавить к числам, характеризующим рекорды метания, чтобы можно было определить начальные скорости диска, которые, собственно, и характеризуют спортсменов?
Задача. Известно, что значения ускорения свободного падения на уровне моря изменяются на 0,5%. К какой разнице в дальности метания копья легкоатлетом могут привести эти изменения? Зависят ли легкоатлетические рекорды от того, в каком месте Земли они установлены?
Задача. Оцените, на сколько дальше спортсмен бросит гранату, если будет бросать ее с разбега.
Задача. Чтобы перепрыгнуть через ров, человек совершает разбег. Какой скорости он должен достичь к моменту прыжка, если прыжок совершается в горизонтальном направлении? Какой будет при этом конечная скорость прыжка? Ров имеет ширину 4 м, а одна сторона выше другой на 1 м.
Задача. Спортсмен, совершающий прыжок в длину, отрывается от земли под углом 30° и пролетает 8,9 м. Оцените скорость спортсмена в момент толчка по этим данным.
Задача. Прыгун в длину мирового класса способен прыгнуть на 9 м. Предположим, что модуль его горизонтальной составляющей скорости при отрыве от земли равен 9 м/с. Сколько времени прыгун будет находиться в воздухе и на какую высоту он поднимется? Считайте, что он приземляется стоя вертикально, т.е. так же, как он отрывается от земли.
Задача. Во сколько раз длиннее может быть прыжок человека на Луне по сравнению с прыжком на Земле, если скорость и угол отрыва одинаковы? Ускорение свободного падения на Луне составляет 1/6 земного.
Задача. Прыгун в длину может с помощью тренировок увеличить либо вертикальную, либо горизонтальную составляющую начальной скорости. Что следует предпочесть? Вычислите увеличение длины прыжка при 10%-ном увеличении модуля V0х и при 10%-ном увеличении модуля V0y
Задача. Оцените, как далеко может прыгнуть в длину с места человек.
Решение
Учитывая, что при прыжке с места вверх человек может подняться на 0,6 м за счет перемещения его центра масс и еще на 0,6 м за счет приседания перед прыжком, получаем
где ( = 4,85 м/с.

Пусть теперь скорость направлена не вверх, а под углом 25° к горизонту.Тогда






Задача. Как далеко может прыгнуть человек в длину, используя разбег?
Решение
Проекции v0x и vОу скорости (рис.3) определяются следующим образом. Для модуля v0x можно взять значение 10,5 м/с скорость спринтера, для модуля v0y - результат предыдущей задачи 4,85 м/с. Тогда







Полученное значение угла согласуется со значениями углов, наблюдаемыми у спортсменов на фотографиях, сделанных во время соревнований по прыжкам в длину.
Длину прыжка находим по формуле


Здесь мы не учли, что прыгун может увеличить это расстояние за счет того, что его центр масс в момент приземления опускается ниже, чем был на старте, приблизительно на 0,6 м. При начальной скорости, равной по модулю 4,85 м/с (она в точке А такая же, как в точке В), высота
Тогда
Или
t = 0,11 с.
Горизонтальное расстояние, пройденное при этом, равно
l =vOxt; l= 10,5*0,11м = 1,2 м. Тогда полная длина прыжка окажется равной
10,5 м + 1,2 м = 11,7 м.
Заметим, что приземлением в сидячем положении спортсмен увеличивает длину прыжка более чем на 10%. Кроме того, прыгун может добавить к этой длине еще немного за счет движения рук и ног, которые изменяют положение центра масс тела. Однако этот элемент прыжка мы опустим.
Мировой рекорд для прыжков в длину с разбега равен 9 м. Таким образом, достигнутая длина прыжка составляет 77% теоретической. Познакомьтесь с таблицей «Мировые спортивные рекорды» в книге А.С.Еноховича «Справочник по физике и технике».

Сила. Второй закон Ньютона

Любое взаимодействие в природе характеризуется силой. Основные виды сил имеют гравитационную и электромагнитную природу. Сила характеризуется значением, направлением (вектор) и точкой приложения. Наибольшее значение имеет сила тяготения между Землей и Солнцем, а наименьшее сила тяготения между двумя электронами.
Человек может развивать разные силы. Это силы ударов различных спортсменов, сила руки, сжимающей динамометр, и т.д. Значения других сил, характеризующих организм человека, получим, решая задачи, подобные приведенным ниже. Некоторые из них можно будет включить в таблицу-справочник «Возможности человека»,
Задача. Какую наибольшую силу человек может создать своим телом?
Ответ на этот вопрос может звучать так: человек может приложить силу, по меньшей мере равную своему весу, навалившись, например, на один конец рычага и т.п. Приложенная в этом случае сила будет равна mg, что составляет при средней массе 70 кг примерно 700 Н.
Растягивая динамометр двумя руками, человек может развить силу, равную по меньшей мере 100 Н. Упираясь ногами в петлю, он сможет тянуть веревку вверх с силой около 1000 Н. Развиваемая при этом сила называется становой.
Задача Придумайте способ определения ручной и становой силы человека. Придумайте и изготовьте соответствующее устройство. Сделайте необходимые замеры.
Одним из вариантов устройства для измерения сил, развиваемых человеком, может быть динамометр, изготовленный из дверной пружины, а лучше двух, соединенных параллельно, укрепленных на двух дюралюминиевых трубках (обрезках лыжных палок), и четырех ручек.
Встав ногами на нижнюю трубку, можно растягивать пружину за верхнюю трубку с ручками. Перед измерениями устройство необходимо проградуировать.
Предложенная последовательность действий может послужить содержанием лабораторной работы №4 «Градуировка динамометра и определение становой силы человека» (см. Приложение).
Описанный эксперимент можно дополнить измерениями с помощью ручного динамометра сил, развиваемых руками учащихся. В качестве вывода по данной лабораторной работе учащиеся могут написать: «Я узнал, что могу развивать такую-то становую силу, такие-то силы левой и правой рукой». Задача с отвлеченным содержанием станет при этом прикладной, наполненной гуманитарным, антропометрическим содержанием.
Задача. Придумайте способы увеличения значений сил, развиваемых человеком.
Одним из возможных ответов на этот вопрос может быть следующий. Человек разовьет большую, чем собственный вес, силу, если будет двигаться с ускорением. Человек развивает силы, превышающие его вес в несколько раз, находясь в ускоренно движущемся вверх лифте, при толчках, ударах, приземлениях после прыжков.
Задача. При исключительно высоком прыжке с места человек может взлететь на высоту 0,8 м над землей. С какой силой человек массой 70 кг должен действовать на землю, чтобы осуществить такой прыжок? Считайте, что перед прыжком человек присел на 0,2 м.
Задача. Определите среднюю силу, с которой спортсмен действует на ядро массой 7 кг, если ядро ускоряется на пути длиной 2,7 м, а сообщаемая ему начальная скорость равна 13 м/с.
Задача. Лучшие спринтеры могут пробежать стометровку за 10 с. Какова горизонтальная составляющая силы, с которой спринтер массой 70 кг действует в процессе ускорения (мы предполагаем, что спортсмен ускоряется равномерно на первых 10 м дистанции)? Какова средняя скорость спринтера на остальных 90 м дистанции?
Задача. При автомобильной катастрофе человек имеет все шансы выжить, если тормозящее ускорение не превышает 30g. Вычислите силу, которая действует на человека массой 70 кг и создает такое ускорение. Какое расстояние при этом проходит автомобиль до полной остановки, если его скорость была 72 км/ч?
Задача. Мужчина массой 70 кг прыгнул в плавательный бассейн с высоты 5 м. Требуется 0,4 с, чтобы вода уменьшила его скорость до нуля. С какой средней силой действует вода на человека?
Источником» силы в теле человека и животных являются мышцы. В теле человека их, например, насчитывается около 600; вместе они составляют до 40% массы человеческого тела. Мышечная ткань обладает свойством сокращаться и растягиваться, ей присущи эластичность и упругость, т.е. способность восстанавливать свою форму после прекращения действия деформирующего усилия. При этом упругие характеристики мышечной ткани выше, чем соответствующие показатели многих искусственных материалов Интересно, что мышцы устроены одинаково у всех животных (в том числе и человека).
Развитые мышцы рельефно выделяются на теле человека. Размеры их можно увеличить тренировками и специальным питанием. Меняются размеры мышц и в течение жизни человека. В старости толщина мышечных пучков уменьшается, они становятся менее упругими. Активный образ жизни может замедлить процесс атрофии мышц.
Хотя мышцы обладают высокими упругими свойствами, но эти свойства по-разному проявляются в активном состоянии и покое. Поэтому, чтобы мышцы работали продолжительно и эффективно, к ним следует относиться бережно. Прежде чем заставлять их работать, например, выполнять физические упражнения, необходимо сделать разминку. В противном случае возможны серьезные травмы мышц, вплоть до их разрыва.
Мышцы обеспечивают высокую подвижность человека и животных. Подвижностью называется свойство организма быстро переходить от покоя к движению и обратно.
Самые сильные мышцы у человека те, что расположены по обе стороны рта и отвечают за сжатие челюстей. Они способны развивать усилие около 70 кг. Согласно исследованиям французских невропатологов, у плачущего человека задействованы 43 мышцы лица, в то время как у смеющегося – всего 17. Таким образом, смеяться энергетически выгодно. Смейтесь, ведь, как сказал Роберт Орбен, американский юморист: «С кем можно вместе смеяться, с тем можно вместе работать».
Задача.
Среднее значение силы мышц правой руки мальчика в возрасте 15 лет равно 430 Н, левой 380 Н. У девочек, соответственно, сила мышц правой руки 300 Н, а левой 280 Н.
- Рассчитайте среднюю массу груза, которую вы можете поднять сначала правой рукой, а затем левой рукой (мальчики и девочки считают для своих значений сил мышц). Решите задачу, если груз поднимаем равномерно, а затем с ускорением 1 м/с2, ускорение свободного падения для удобства расчетов примем за 10 м/с2. (Для мальчиков при равномерном поднятии груза правой рукой можно поднять груз массой 43 кг, левой 38 кг, с ускорением 1 м/с2 правой рукой массой 39 кг, левой 34,5 кг; для девочек при равномерном поднятии груза правой рукой можно поднять груз массой 30 кг, левой 28 кг, с ускорением 1 м/с2 правой рукой 27кг, левой 25 кг.)
Вообще в организме человека насчитывается около 600 различных мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они бы вызвали силу давления, равную примерно 250 кН. Оказывается, что 60 % кислорода, поступающего в организм человека, потребляют именно мышцы. Но когда мы говорим о возможностях человека, трудно не заглянуть в «Книгу рекордов Гиннесса». Конечно, некоторые рекорды достигаются длительной подготовкой: так, некий Эрден Чемпен из США в 1980 г. бросил виноградину на расстояние 97,43 метра и попал точно в рот своему партнеру. Альпинист из Швейцарии Жан-Марк Цано в 1981 г. совершил восхождение на вершину горы высотой 2186 метров за 2 часа 30 минут на ходулях.
Задача.
Коэффициент полезного действия мышц человека равен 20 %, то есть остальные 80 % расходуются человеком на тепловые потери.
- Какую энергию вы затрачиваете при поднятии груза сначала левой, а затем и правой рукой равномерно на высоту 50 см? (Воспользуйтесь данными из 1 задачи.) (Мальчики затрачивают при поднятии груза правой рукой на высоту 50 см 1075 Дж энергии, а левой рукой - 950 Дж энергии; девочки при поднятии груза правой рукой - 750 Дж, левой рукой - 700 Дж.)
Задача. Какая сила тяжести действует на космонавта массой 75 кг: а) на Луне; б) на Земле; в) на Марсе; г) при его движении с постоянной скоростью в космическом пространстве?

Вес тела

Весом называется сила, с которой тело, находящееся в поле силы тяжести, действует на подставку (или подвес), относительно которой тело покоится. Хотя вес возникает в результате притяжения тела Землей, он не всегда равен силе тяжести (по численному значению).
Физиологическое ощущение веса связано с тем, насколько трудно поднять руку или голову: давление внутренних органов человека на скелет пропорционально весу человека. В физиологии вес определяют как величину, пропорциональную силе, действующей со стороны жидкости в полукружных каналах внутреннего уха человека на нервные окончания.
Задача. Придумайте способы измерения массы и веса тела человека, а также силы тяжести, действующей на него. Что мы измеряем при помощи рычажных весов? По данному вопросу можно предложить учащимся выполнить лабораторную работу №6 «Определение массы тела человека динамическим методом».
Задача. Какова ваша масса (в килограммах) и вес (в ньютонах)?
Задача. В каком месте Земли тело обладает наибольшим весом? наименьшим весом? Изменяется ли масса тела от места к месту?
Задача. Сколько весит человек массой 70 кг на Земле? Сколько он будет весить на Луне? Какова масса этого человека на Луне?
Задача. Вес тела на Марсе в 2,7 раза меньше, чем на Земле. Какими весами космонавт может обнаружить уменьшение веса тела на Марсе?
Задача. Во сколько раз уменьшится вес космонавта на Луне, по сравнению с его весом на Земле? Используйте соотношения

Силу тяжести, действующую на тело, и его вес можно считать равными в отсутствие ускорений, с которыми движутся тело и связанный с ним подвес. Если такое ускорение не равно нулю, вес тела может быть как меньше, так и больше силы тяжести.
Рассмотрим несколько задач на вычисление веса.
Задача. Лифт начинает двигаться из состояния покоя с ускорением 5 м/с2. Увеличится, уменьшится или останется неизменным вес пассажира? Поднимаясь ускоренно, лифт достигает скорости 9,8 м/с, а затем продолжает двигаться вверх с постоянной скоростью. Увеличится, уменьшится или не изменится по сравнению с весом в состоянии покоя вес пассажира?
Задача. Человек массой 60 кг находится в лифте, движущемся вверх с ускорением ( 9,8 м/с2. Чему равна сила, действующая на человека? Чему будет равна эта сила, если лифт будет двигаться вниз с тем же ускорением?
Задача. Пружинные весы при взвешивании женщины массой 55 кг, находящейся в лифте, показали в четырех случаях разный вес: а) 540 Н; б) 720 Н; в) 360 Н; г) 0 Н. В каком направлении и с каким ускорением двигался лифт в каждом из этих случаев?
Задача. На 50-м этаже 100-этажного здания в лифт входит человек весом 600 Н и становится на весы. Когда лифт начинает двигаться, человек замечает, что в течение 5 с весы показывают 720 Н, а затем в течение 20 с 600 Н, следующие 5 с 480 Н, после чего лифт останавливается на одном из концов шахты. Где находится лифт: вверху или внизу? Какова высота здания?
Чтобы учащимся было интересно решать приведенные выше задачи «с лифтом», можно предложить им задание практического характера.
Задача. Определите с помощью бытовых весов, изменится ли ваш вес при движении лифта. С каким ускорением опускаются и поднимаются лифты в обычных многоэтажных зданиях?

Сила трения

Трение - неизбежный спутник множества окружающих человека явлений, и в первую очередь такого важного, как перемещение тел. Поскольку существование людей связано с движением по земле, воздуху и воде, наличие трения накладывает отпечаток на все виды человеческой деятельности, играя иногда полезную, а иногда вредную роль.
При ходьбе человек ставит ноги на землю таким образом, что они должны были бы скользить назад, если бы трения не существовало. И в самом деле, при попытке идти по гладкому льду, когда трение мало, ноги человека проскальзывают, движение его становится небезопасным и может окончиться падением. Так как сила трения покоя действует в направлении, противоположном тому, в котором должно было бы возникнуть скольжение, она сообщает телу человека ускорение, направленное вперед. Человек идет вперед потому, что последовательно отталкивается от дороги то одной, то другой ногой. По асфальту идти легче, чем по мокрой глине или льду, потому что коэффициент трения покоя материала подошв об асфальт намного больше. Сила толчка прямо пропорционально зависит от коэффициента трения: F= k*N. Важный результат k
· tg( позволяет понять, почему человек при ходьбе по скользкому льду идет мелкими шажками.
Задача. Придумайте способ экспериментального определения коэффициента трения подошв обуви о некоторую поверхность. В этом вам поможет лабораторная работа № 5.

Сила упругости. Прочность биологических материалов

Как все упругие материалы, вещество кости, мышц, сухожилий под действием нагрузки деформируется. Интересно, что на примере тела человека можно проследить все виды деформаций: сжатие, растяжение, изгиб и кручение. Так, кости позвоночного столба, таза и нижних конечностей в основном подвергаются сжатию и изгибу. Кости верхних конечностей, связки, мышцы, сухожилия растяжению. Деформации кручения подвержены шея, туловище в пояснице, кисти рук.
Свойство материала сопротивляться разрушению и необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок называется прочностью. Количественной характеристикой этого свойства служит предел прочности. Значения пределов прочности некоторых природных и искусственных материалов приведены в таблице.
Из таблицы видно, что по прочности кость занимает достойное место среди характеристик других материалов. Предел прочности кости, например, на растяжение больше, чем у древесины (вдоль волокон), в 9 раз превосходит предел прочности свинца и почти равен пределу прочности алюминия и чугуна.
В чем причина высокой прочности биологических материалов тканей человеческого организма?
Высокая механическая прочность материала кости обусловлена ее особым строением. Кость состоит из органических волокон (коллагена), неорганических кристаллов гидроапатита ЗСа3(РО4)2Са(ОН)2, связующих веществ и воды. Минеральные компоненты составляют примерно 70% массы кости, а белковые примерно 20%. Реакция каждого из этих материалов на механическое напряжение различна и сравнительно невелика. И только в сочетании эти компоненты дают прочность, сравнимую с прочностью металлов.
Чем большие нагрузки испытывает растущий организм, и в частности его кости, тем прочнее они становятся.
Рассмотренные конструктивные особенности строения кости делают ее способной выдерживать огромные нагрузки. Например, тазобедренная кость человека, поставленная вертикально, выдерживает груз весом 50 кН (вес автомобиля «Волга»)]. Бедренная кость в том же опыте выдерживала нагрузку 15 кН, что в 2530 раз превышает вес самого тела!
Познакомьтесь с таблицей «Упругие характеристики материалов».
Особого восхищения заслуживают прочностные характеристики зубов: зубы могут (при соответствующем уходе) разгрызать орехи в продолжение примерно 40 лет. Даже современные зубные цементы несравненно слабее и более хрупки, чем материал зубов.
Конструктивной особенностью строения зубов является их многослойность. Верхний твердый и вязкий слой, называемый эмалью, и сердцевина зуба дентин содержат кристаллы гидроксиапатита Са10(РО4)б(ОН)2, но в разном процентном отношении. В эмали они составляют 99% объема материала, очень плотно упакованы и разделяются тонкими слоями другого органического материала протеина. В дентине эти кристаллы составляют 70% его объема. Средой, в которой оказываются заделанными эти кристаллы, является коллаген. Конечно, наличие слабой органической прослойки в материале зубов приводит к тому, что они с легкостью гниют,
Задача Рассчитайте удлинение сухожилия человека под действием силы 10 Н. Считайте, что сухожилие имеет форму сильно вытянутого цилиндра длиной 16 см, диаметром 8,6 мм.
Задача Средняя площадь сечения бедренной кости человека равна 3 см2. Какую силу сжатия может выдержать кость, не разрушаясь?

Сравнение сил ударов спортсменов

Интерес для учащихся представляет вопрос о сравнении сил ударов двух спортсменов: боксера и каратиста. Оба они развили обычные человеческие способности к нанесению спортивных ударов путем специальных тренировок. В обоих случаях сила удара возникает за счет изменения импульса стоящего человека, ускоряющего наносящую удар руку из состояния покоя до некоторой скорости, на пути, равном размаху руки человека.
Можно считать, что исходные условия обоих ударов одинаковы. Почему же так различаются результаты?
Боксер передает большой импульс всей массе противника, сбивая его с ног. Каратист концентрирует свой удар на очень маленьком участке тела и старается завершить его на небольшой глубине. Поэтому каратист своим ударом легко может разрушить ткани и кости противника.
В кино и по телевидению часто показывают, как каратист рукой разбивает деревянные бруски и кирпичи. Длительности ударов каратиста и боксера составляют 0,005с и 0,1с, соответственно.
Возникающие при ударах силы оказываются равными в первом случае нескольким тысячам, а во втором нескольким сотням ньютон. Графики зависимости сил от времени для ударов этих спортсменов приведены на рисунке 4.
Задача. Удар каратиста характеризуется следующими параметрами: скорость руки в момент удара 12 м/с, масса руки 0,7 кг, время удара 2*10 -3 с. По этим данным определите размер области удара (путь, на котором происходит торможение).
Очень интересна и даже в какой-то степени поучительна для молодых людей проблема безопасной высоты падения человека. По расчетам К.Э.Циолковского, она равна примерно удвоенному росту человека. Безопасной она называется потому, что при падении с нее человек остается невредимым.
Задача. Какова безопасная высота падения для человека?
Решение
Человек, падающий или прыгающий с некоторой высоты, приземляясь на твердую землю, испытывает значительные напряжения в берцовых костях и особенно в костях голени. Определено, что сила, которую кости голени еще могут выдержать без перелома, равна примерно 105 Н.
Эта сила соответствует 130-кратному увеличению веса человека массой 75 кг.
Сила, действующая на кости ног человека, равна произведению массы тела на среднее ускорение, которое возникает при уменьшении скорости до нуля в момент приземления:Скорость v, достигнутая при падении
с высоты Н из состояния покоя, задается выражением v2 = 2gH. Аналогично и среднее ускорение- а, характеризующее движение тела от скорости v до 0 на пути h равно

Сравнив последние выражения, получаем

Следовательно, сила, действующая при торможении,

Здесь величина есть отношение высоты падения к расстоянию, на котором происходит торможение тела до полной остановки.
Если человек приземляется на обе ноги жестко, т.е. не сгибая колени, то расстояние h равно примерно 1 см, и, поскольку сила не должна быть больше 130 mg, получаем, что безопасная высота падения для человека составляет

Участок торможения можно сделать больше, согнув ноги в коленях во время приземления. Если считать расстояние, на которое перемещается при этом центр тяжести, равным 0,5 м, получим

Многовато, неправда ли? И действительно, при прыжках с таких высот следует учесть, что связки и сухожилия ног человека могут выдержать силу, составляющую 1/20 от той, при которой еще не ломаются кости. Тогда

Получили, что предельная безопасная высота падения для человека составляет величину порядка его удвоенного роста.
При приземлении на поверхность из податливого материала, например в воду, в сено, на мягкий снег, на деревья, человек может выдержать значительно большие силы столкновения. Имеются документальные свидетельства о военнослужащих, упавших без парашюта из самолета, летевшего на большой высоте, и оставшихся в живых, потому что приземлились в рыхлый снег или болото.
Аналогичным образом действуют такие страховочные средства при прыжках с больших высот, как натянутый брезент или сетка для спуска гимнастов из-под купола цирка. Во всех этих случаях нужный эффект достигается за счет увеличения пути торможения.

Работа. Мощность. Энергия.
Механическая работа - это физическая величина, являющаяся характеристикой процесса действия силы на движущееся тело на некотором перемещении. Организм человека имеет два механизма сопротивления механическим нагрузкам. Его инертные части: зубы, кости, волосы – воспринимают нагрузку точно так же, как и любое неживое твердое тело. Но живой организм как целое ведет себя по-другому. Человек способен сопротивляться приложенным силам. Он напрягает свои мышцы в зависимости от того, что требует сложившаяся ситуация, - отталкивает он или тянет что – то. Даже когда он стоит неподвижно, он производит направленные, бессознательные подстроечные операции в мышцах тела. Мозг человека непрерывным потоком посылает волокнам мышц электрические импульсы – управляющие сигналы. Получившее сигнал мышечное волокно сокращается, а затем опять расслабляется. Сохранение биомеханического напряжения мышц требует непрерывного расходования энергии, приводящего в конечном счете к усталости мышц. Человек должен либо прекратить работу, либо принять пищу для восполнения потерь энергии.
Задача. Как зависит совершаемая человеком работа от его линейных размеров?
Решение
Оценим работу, которую человек должен совершить, чтобы поднять руку вверх. Нетрудно подсчитать, что А = mgh. Но т~ L3, g = const, h = const. Следовательно, A - L3.
Мускульная сила F пропорциональна площади сечения мышцы, т.е. F - S - L2.
Поскольку A = FL, получается, что работа не зависит от размеров существа, совершающего ее.
Действительно, работа определяется произведением силы на расстояние. Оценим силу, которую может создавать мышца, а затем расстояние, на которое укорачивается мышца при работе. Это даст нам работу, которую производит мышца при одиночном сокращении.
Максимальное напряжение, которое может создать любая мышца, определяется внутренней структурой мышечных волокон (филаментов). Оно составляет примерно 300400 кПа и не зависит от размеров тела, это напряжение одинаково для всех животных. Степень сокращения скелетной мышцы не зависит от размеров тела. Максимальное относительное сокращение, или растяжение, по-видимому, составляет примерно 0,3.
Из этого мы можем заключить, что максимальная работа, производимая при одном сокращении в пересчете на единицу объема мышцы, не зависит от L. Кстати, этот факт подтверждается еще и тем, что плотность филаментов постоянна у всех животных независимо от их размеров.
Работа, совершаемая человеком, обладает важной особенностью: в одних и тех же условиях человек может работать с разной эффективностью. В качестве примера рассмотрим следующую задачу.
Задача. Определите эффективность процесса: человек массой 70 кг поднимается в гору с грузом массой 20 кг.
Решение
Коэффициент полезного действия
An = mgh, где h высота поднятия груза; т масса груза.
А3 = (т + M)gh, где М масса человека.
Тогда

Получили, что коэффициент полезного действия пропорционален массе поднимаемого груза.
Быстроту совершения работы характеризует мощность. Самыми большими значениями мощности в природе обладают астрономические объекты. Мощность радиоизлучения квазара равна 10 45 Вт. Мощность излучения Солнца 10 27 Вт. Мощность, достигнутая импульсным лазером 10 12 Вт.
Мощности, характерные для человека имеют небольшой разброс: от мощности сердца 0,1 Вт до мощности в несколько киловатт. Мощность определяется временем совершения работы и запасом полной энергии, необходимой для ее совершения. При одинаковой скорости движения мощность больше в тех случаях, когда больше сила, против которой совершается работа. Поэтому подтягивание является более эффективным видом деятельности по сравнению с отжиманиями и приседаниями, а бег вверх по лестнице – по сравнению с бегом по ровной поверхности. Человек не может развивать большую мощность в течение длительного промежутка времени. Это ограничение накладывается значением скорости, с которой человеческий организм преобразует химическую энергию пищи в механическую энергию. Эта скорость определяется быстротой сгорания жиров и углеводов. Человеческий организм обычно совершает в секунду до 100 Дж механической работы. Расход мощности можно увеличить в 5-10 раз, но в течение короткого времени.
Определить мощность, развиваемую человеком в разных физических упражнениях, поможет лабораторная работа №7. С помощью лабораторной работы №8 можно оценить мощность, развиваемую человеком при прыжке в высоту с места.
Познакомьтесь с таблицей «Расход энергии человека при различной деятельности (ориентировочные значения».

Кинетическая энергия человека и предметов из его окружения

Тема «Кинетическая энергия» позволяет на полнить ее гуманитарной проблематикой путем включения задач на расчет кинетической энергии по-разному движущегося человека и предметов из его окружения, а также задач на применение теоремы о связи энергии и работы.
Задача. Чему равна кинетическая энергия человека, бегущего изо всех сил?
Задача Чему равно изменение кинетической энергии человека, быстро бегущего и внезапно остановившегося? Чему равна в этом случае работа силы трения подошв ног человека о землю? Какую работу совершает человек для остановки?
Задача Какова кинетическая энергия прыгуна в длину в наивысшей точке траектории прыжка?
Задача. Чему равна кинетическая энергия мяча массой 300 г, если его бросили со скоростью 40 м/с?
Задача. Утверждают, что чемпион мира по пинг-понгу может сообщить шарику кинетическую энергию, примерно равную 1 Дж. С какой скоростью должен быть подан шарик?
Задача. Игрок бросает мяч массой примерно 150 г со скоростью 150 км/ч в горизонтальном направлении. Какая кинетическая энергия передана игроку, поймавшему мяч?
Задача. Какую работу против силы трения совершает человек, изменяя свою скорость во время спурта на последних метрах 800-метровой дистанции от 6,9 до 8 м/с?
Задача. Футболиста массой 80 кг, бегущего со скоростью 5 м/с, останавливает защитник другой команды в течение 1,0 с. Какова была первоначальная кинетическая энергия футболиста? Какая средняя мощность потребовалась, чтобы остановить его?
Значение кинетической энергии может быть использовано для оценки результатов столкновения двух тел.
Следующие задачи иллюстрируют применение закона сохранения полной механической энергии в случае действия в системе непотенциальных сил( сил трения и сопротивления).
Задача. Мальчик разбежался и проехал на ногах по ледяной дорожке до полной остановки 8 м. Какова должна быть скорость его разбега, если коэффициент трения подошв ног мальчика о лед 0,25?
Задача. Шофер, едущий в автомобиле по горизонтальной дороге в тумане, внезапно заметил недалеко впереди себя стену, перпендикулярную направлению движения. Что лучше сделать: затормозить или повернуть в сторону, чтобы предотвратить аварию?
Задача. Ребенок массой 17 кг скатывается на санках с горы высотой 4,6 м. Чему равно количество выделившейся при этом теплоты, если скорость санок у подножия горы 2 м/с?
Задача. Масса санок вместе с седоком равна 50 кг, а сила трения 20 Н. Какую работу нужно совершить человеку, чтобы втащить эти санки на гору высотой 10 м и длиной склона 100 м? Если пустить санки с вершины, то какую кинетическую энергию они приобретут у подножия горы? Какова при этом будет их скорость?
Задача. Лыжник скатывается с холма с нулевой начальной скоростью и проезжает 30 м вниз по склону, составляющему 18° с горизонтом. Чему равна скорость лыжника у подножия холма, если коэффициент трения 0,08? Если у подножия холма имеется горизонтальная площадка, покрытая снегом с тем же коэффициентом трения, то на какое расстояние по ней укатится лыжник?
Задача Лыжник, идущий по ровной лыжне со скоростью 12,6 м/с, достигает подножия горы, склон которой составляет 20° с горизонтом, а затем проезжает вверх по склону 11,4 м. Чему равен коэффициент трения лыж о снег?

Оценка механических возможностей человека

Оценить механические возможности человека можно с точки зрения выполнения закона сохранения полной механической энергии.
Начнем рассмотрение с оценки эффективности бега человека.
Задача. Оцените эффективность бега человека.
Решение
Чтобы переместить свое тело на расстояние L, человек производит следующие энергетические затраты. Развивает кинетическую энергию:

(здесь М масса человека; ( средняя скорость бега на дистанции 100 м).
Совершает работу по вертикальному перемещению своего центра масс:
А = Mghn
(здесь А вертикальное перемещение центра масс; n число шагов на дистанции; принимаем, что при каждом шаге центр масс человека перемещается на 0,1 м, а всего на дистанции 100 м он делает в среднем 50 шагов),
А = 70*10*0,1*50 Дж = 3500 Дж.
Совершает работу по подъему ноги:
А - mgHn
(здесь Н перемещение центра масс ноги; т масса ноги человека),
А = 20*10*0,4*50 Дж = 4000 Дж.
Совершает работу против силы сопротивления движению:
A = FL=
·(L
(здесь F =
·( сила сопротивления движению;
· = 0,2 кг*с-1 коэффициент сопротивления),
А = 0,2*10*100 Дж = 200 Дж. Итого:
W = 3500 Дж + 3500 Дж + 4000 Дж + 200 Дж = 11 200 Дж.
Полученный результат находится в хорошем соответствии с опытом: известно, что человек может развить мощность до 1 кВт, в нашем случае она оказывается равной

Задача. Принимая, что человек при подъеме тяжестей затрачивает такое же количество энергии, что и при скоростном беге, оцените массу груза, который он может поднять.
Решение
Так как то

(здесь М масса груза; т масса человека; ( скорость бега человека; h высота поднятия груза).
При m=110 кг, h =1,8 м, ( = 10 м/с получаем М = 321 кг.
Средний человек (m = 80 кг) поднимет груз массой 207 кг.
Теперь перейдем к рассмотрению процесса прыжка в длину.
Задача. Чтобы осуществить прыжок в длину, спортсмен должен приобрести скорость 10 м/с. Пользуясь законом сохранения энергии, определите высоту прыжка и скорость спортсмена в этой точке. Примите угол вылета спортсмена равным 25°.
А теперь рассмотрим процесс метания.
Задача. Оцените усилия спортсмена при толкании ядра.
Задача. Мировые рекорды в толкании ядра, метании диска и копья равны примерно 22, 73 и 99 м соответственно. Массы этих снарядов 7,3, 2,0 и 0,8 кг. Хороший игрок может бросить теннисный мяч (m = 0,14 кг) на 120 м.
Предположив, что каждый бросок выполняется под оптимальным углом 45°, вычислите кинетическую энергию каждого спортивного снаряда. Какое сопротивление воздуха они испытывают? Может ли разница в рекордах быть полностью или отчасти объяснена разными потерями энергии на преодоление сопротивления воздуха? Какими еще характеристиками мы пренебрегли? Какова эффективность мышц при броске спортивных снарядов различных масс? Существуют ли очевидные причины для различий?
Представляет интерес применение закона сохранения механической энергии к прыжкам в высоту.
Задача. Оцените силу, с которой отталкивается от земли спортсмен в момент прыжка в высоту.
Решение
Спортсмен осуществляет прыжок в высоту за счет работы мышц ног А = Fd, где d расстояние, на которое перемещается центр масс человека при приседании
(рис5).
По закону сохранения энергии эта работа равна изменению энергии:

где h наибольшая высота, на которую поднимается центр масс человека при прыжке вверх. Тогда

Лучший прыжок в высоту, который может выполнить мужчина, поднимает его центр масс примерно на 0,6 м, При прыжке мышцы ног работают на расстоянии, примерно равном 0,3 м. Значит, сила будет равна:



Сила мышц ног, производящих прыжок, составляет три веса человека.
Задача. Как зависит высота прыжка от размера тела человека?
Решение
Воспользуемся результатом предыдущей задачи:

Из прежних оценокF~ L2; M~ L3; d~ L3, где L характеристическая длина (рост человека). Тогда

Получили, что высота прыжка не зависит от характеристической длины, т.е. размера тела человека, и одинакова для всех существ сходной формы/
Задача. Оцените эффективность прыжков в высоту с разбега.
Решение
Мировой рекорд по прыжкам в высоту составляет 2,4 м.
Это значит, что спортсмен перемещает свой центр масс на высоту 1,4 м. Еще следует учесть 0,1 м, так как центр масс находится внутри тела человека (рис.6).
Тогда
h = 2,4 м + 0,1 м -1,0 м = 1,5 м.
Расстояние 0,6 м человек преодолевает за счет прыжка (работы мышц ног). Оставшееся расстояние 0,9 м должно быть преодолено за счет разбега. Кинетическая энергия разбега

W = 0,5*70*62 Дж = 1260 Дж.
Энергия, необходимая для поднятия на высоту h = 0,9 м, находится по формуле
W = Mgh; W = 70*10*0,9 Дж = 617 Дж. Таким образом, прыгун в высоту преобразует в энергию прыжка половину энергии разбега.
Если бы это преобразование можно было выполнить с большей эффективностью, человек смог бы прыгнуть на большую высоту .
Задача. На какую высоту смог бы прыгнуть человек, если бы он всю свою энергию разбега преобразовал в энергию прыжка?
Задача. С какой вертикальной скоростью должен отделиться от земли прыгун в высоту, чтобы преодолеть планку на высоте 2,3 м?
Задача. Прыгун отрывается от земли со скоростью 5 м/с и преодолевает планку со скоростью 1,2 м/с. На какую высоту при этом был поднят его центр масс?

Задача. Используя одни лишь ноги, прыгун в высоту не в состоянии превратить всю энергию разбега в энергию прыжка. Прыгун в высоту с шестом использует свой спортивный снаряд для более эффективного преобразования этой энергии. Оцените максимальную высоту, которую может преодолеть прыгун с шестом.
Решение
При прыжке с шестом кинетическая энергия поступательного движения спортсмена при разбеге превращается в потенциальную энергию упругой деформации при сгибании шеста (рис.7). Когда в следующий момент шест начинает разгибаться, то за счет этой энергии он совершает работу, поднимая прыгуна над планкой. Если на подъем прыгуна пошла вся энергия, то

В этом случае высота перекладины Н, которую он сможет преодолеть, будет равна

(здесь 1 м высота центра масс человека; 0,6 м высота прыжка с места).
Если считать, что максимальная скорость равна 9,5 м/с (мы не может считать ее равной 10 м/с, так как прыгун еще несет шест), то
H = 4,6 м + 1,6 м = 6,2 м.
Эта оценка для высоты несколько превосходит реально достигнутое значение, так как не вся кинетическая энергия прыгуна может превратиться в потенциальную энергию упругой деформации шеста: прыгун должен обладать еще и некоторой горизонтальной скоростью для пересечения планки.
Задача. В рассуждениях о прыжке с шестом дополнительная высота 0,1 м, включаемая в прыжок в высоту с разбега, не учитывалась. Как вы думаете почему? Предположите, что прыгун в высоту исполняет свой прыжок перекатом, и сравните его с прыжком с шестом. Что можно сказать о движении центра масс прыгуна с шестом? Используя аналогичные рассуждения, объясните, почему прыгун в высоту, используя технику фосбери - флоп, может достичь большей высоты, чем при прыжке перекатом.
Задача Вычислите кинетическую энергию и скорость прыгуна с шестом массой 70 кг, необходимую для того, чтобы он преодолел планку на высоте 5 м. Считайте, что центр масс прыгуна перед прыжком располагается на высоте 0,9 м над поверхностью земли и достигает максимальной высоты на уровне планки.
Тканями, которые играют роль своеобразных пружин и могут запасать механическую энергию, являются мышцы конечностей и сухожилия, соединяющие их с костями. Сухожилия в большей степени, чем мышцы, годятся для хранения потенциальной энергии, так как силы внутреннего трения в них очень малы, и около 90% этой энергии может быть обратно преобразовано в кинетическую энергию. Кроме того, сухожилия обладают большей жесткостью, чем мышцы, и могут быть растянуты на 6% своей исходной длины без заметного повреждения, в то время как мышцы -только на 3%.
Задача. Во сколько раз энергия, запасаемая на единицу длины в сухожилиях, больше, чем в мышцах? (Ответ. В 4 раза.)
У мужчины среднего роста и веса суточная потребность в энергии для поддержания основного обмена составляет около 8000 кДж. Точное количество энергии, необходимое каждому индивидууму, зависит от его веса, возраста и пола и у мужчин несколько больше, чем у женщин.
Вопрос. Оцените среднюю мощность. (Ответ. Примерно 94 Вт.)

Механические колебания и волны.

Ухо орган слуха у человека.
Звук улавливается ушной раковиной, вызывает вибрацию барабанной перепонки и затем через систему звуковых косточек передается воспринимающим клеткам. Частотный диапазон звуков, воспринимаемый человеком, от 16 до 20 000 Гц. Но вот что удивительно: у детей в возрасте 2 - 3 лет предел слышимости доходит до 22 000 Гц, а вот у стариков он понижается до 10 000Гц (старые люди часто не слышат стрекотание кузнечиков, сверчков).
Здесь можно продемонстрировать диапазон звуковых волн от 10 000 Гц до 20 000 Гц, то есть те частоты, которые мы в старости можем и не слышать, используя звуковой генератор и динамик. По данной теме можно предложить выполнить лабораторную работу № 13 «Определение частоты человеческого голоса при произнесении гласных звуков» и лабораторную работу №20 «Изучение свойств уха человека.»
Задача. Рассчитайте диапазон длин волн, который слышат малыши, но не воспринимают мамы, а также диапазон длин волн, который не слышат старики, но мы с вами воспринимаем. Для удобства скорость звука примем за 340 м/с. (Мы не воспринимаем звуки частотой от 20 000 Гц до 22 000 Гц, но малыши эти звуки воспринимают, диапазон длин волн соответствует от 15,4 х 10-3 до 17х1О'-3м. Старики не воспринимают звуки частотой от 10 000 до 20 000 Гц, но мы эти звуки воспринимаем, диапазон длин волн соответствует от 17х10-3 до 34х10-3м.)
Познакомьтесь с таблицей «Звуковые параметры человека» в книге А.С.Еноховича «Справочник по физике и технике».
Самый удивительный двигатель, созданный природой, это наше сердце. Оно совершает механические колебания. Так, наше сердце в среднем за сутки сокращается 100 000 раз и перекачивает при этом 10 000 литров крови. В течение минуты оно выбрасывает в аорту 4 литра крови. Полный же оборот крови через оба круга кровообращения совершается за 21 секунду. Самое интересное, что около 50% крови у человека находится в покое в печени и селезенке, откуда в случае необходимости она выбрасывается в кровяное русло. С помощью лабораторной работы № 17 можно определить давление крови человека.
Как сказал американский писатель Уайт: «Не беспокойтесь о своем сердце, пока оно не остановилось». Сердце является хорошим примером колебательного движения. Давайте попробуем рассчитать частоту и период сокращений, нашего сердца, для этого воспользуемся часами с секундной стрелкой и посчитаем пульс за 10 секунд (учащиеся определяют пульс и рассчитывают персонально каждый для своих значений частоту и период работы сердца).
Когда мы говорим о возможностях сердца, хочется привести некоторые удивительные факты. Так, даже смертельно раненное сердце показывает в некоторых случаях поразительную живучесть. Известны случаи, когда со смертельной раной сердца человек мог еще пробегать расстояния до 200 метров! Имеются факты, когда рана в сердце зажила сама собой.
Сердце - это орган, имеющий массу 300 г. С 15 до 50 лет оно бьется со скоростью 70 раз в минуту. В период между 60 и 80 годами оно ускоряет свое движение, достигая примерно 79 ударов в минуту. В среднем это составляет 4,5 тысячи пульсаций в час и 108 тысяч в день. Сердце велосипедиста может быть вдвое больше, чем у человека, не занимающегося спортом, - 1250 кубических сантиметров вместо 750. В обычном режиме этот орган перекачивает 360 литров крови в час, а за всю жизнь 224 миллиона литров. Столько же, сколько река Сена за 10 минут!
- Чему равен период колебаний и частота работы сердца ? (1,3 Гц.)
Оказывается, цикл вдоха-выдоха у ребенка составляет 35 раз в минуту, 20 раз у подростка и 15 раз у взрослого человека. В среднем наш дыхательный ритм выглядит так: 1 тысячу раз в час, то есть 24 тысячи раз в день, или 9 миллионов раз в год.
- Как отличается период и частота дыхания ребенка и подростка?
Частота дыхания ребенка в 2,3 раза выше, чем у подростка. А период дыхания подростка в 2,3 раза больше, чем у ребенка.
Системы тел, которые способны совершать колебания, называются колебательными системами. Примером являются: нитяной и пружинный маятники. С нитяным маятником можно провести несколько практических работ. Определить рост человека с помощью часов в лабораторной работе № 11, исследовать зависимость периода колебаний физического маятника от его приведенной длины в лабораторной работе № 10, изучить свойства секундного маятника в лабораторной работе № 9, определить среднюю скорость поступательного движения кисти руки в лабораторной работе № 12.
Нельзя не упомянуть и еще об одном интересном органе о легких. Мы знаем, что человек может прожить без пищи и воды Длительное время (рекорд 18 дней), а вот без воздуха прожить человек не может. Известны факты, когда в 1986 г. двухлетняя девочка провела под водой 66 минут и после этого она полностью выздоровела. Но это редкий и удивительный случай. Если мы находимся в относительном покое, то примерно в минуту совершаем 1620 дыхательных движений, при этом через легкие проходит около 7000 литров воздуха.
Задача. Если рассчитать среднюю работу легких за 60 лет обычной жизни, то оказывается, что такую же работу проделал бы человек, если бы поднял от уровня моря до высоты 5000 метров камень массой 10 т.
- Определите, какую работу совершают легкие за сутки и какую мощность они при этом развивают? (За сутки легкие совершают работу, равную 230 кДж, при этом мощность равна 2,7 Вт.)
Выполните по данной теме лабораторную работу № 16
«Определение дыхательного объема легких человека».
Задачи .
Пульс человека в экстремальных условиях достигает 240300 ударов в минуту. Определите частоту сокращений сердца, а также период работы сердца. (0,250,2 с, 45 Гц.)
В течение минуты сердце выбрасывает в аорту около 4 литров крови, при этом по аорте кровь движется со скоростью 0,5 м в секунду. Полный оборот крови через оба круга кровообращения совершается за 2122 минуты. Скорость движения крови по венам составляет 0,5 мм в секунду. Определите путь и перемещение, которое проходит кровь за один полный оборот. (Путь равен примерно 630660 м, перемещение равно 0.)
Частота звуковых колебаний, к которым наиболее чувствительно ухо, составляет от 1500 до 3000 Гц. Определите диапазон длин звуковых волн, соответствующих этим частотам. Скорость звука принять за 340 м/с. (0,23 - 0,113 м.)
Высота голоса у человека зависит от длины и натяжения голосовых связок. Так, у мужчин длина голосовых связок составляет 1825 мм, у женщин 1520 мм. Женский голос сопрано имеет диапазон длин волн 13734 см, а мужской голос баритон -34286 см. Определите частотный диапазон этих голосов. Скорость звука принять за 340 м/с. (Сопрано 2501000Гц, баритон 1000400 Гц.)
Площадь барабанной перепонки составляет около 0,65 см2. Интенсивность звука на пороге болевого ощущения составляет 100 Вт/м2. Определите звуковое давление на перепонку, если скорость звука в воздухе принять за 340 м/с. (Примерно 63 Па, это соответствует работе реактивного двигателя.)
При катапультировании пилот самолета испытывает перегрузку, равную 16. При выполнении на самолете фигуры высшего пилотажа петли Нестерова до 6 единиц. Определите ускорение, с которым движется пилот в этих случаях. Ускорение свободного падения принять за 10 м/с2. (150 м/с2 при катапультировании, 50 м/с2 при выполнении петли Нестерова.)
Познакомьтесь с таблицей «Механические параметры человека» в книге А.С.Еноховича «Справочник по физике и технике».
Невозможно охватить все аспекты жизнедеятельности человека, но, узнавая о себе, о том, что мы можем, мы познаем не только себя, но и окружающий нас мир. Важными параметрами окружающей человека среды являются: атмосферное давление, температура и влажность воздуха. Определить эти величины можно с помощью лабораторных работ № 14, № 15.
Познакомьтесь с таблицей «Тепловые параметры человека» в книге А.С.Еноховича «Справочник по физике и технике».
Для того чтобы узнать еще больше, следует обратиться к книгам, в которых вы найдете ответы на некоторые вопросы.
Литература.
Чудеса. Популярная энциклопедия. Том 1. Казахск. сов. энцикл., 1990. (В этой книге вы узнаете о том, что может человек, о резервах человеческого организма, о вундеркиндах, о загадках, которые преподносит нам человек.)
Биология. Занимательные факты. СПб.: Паритет, 1999. (В этой книге подобраны факты из научных и популярных источников, не слишком известных нам. С этой книгой вы можете взглянуть на себя со стороны.)
Енохович А. С. Справочник по физике. М.: Просвещение, 1990. (В этом справочнике приведены данные о перегрузках, которые может испытывать человек, о силе мышц рук человека, о слуховом аппарате человека, а также некоторые электрические и оптические параметры человека.)
Ильченко В. Р. Перекрестки физики, химии и биологии. М.: Просвещение, 1986 г. (В этой книге вы найдете не просто знания о природе, а объяснение удивительных явлений с точки зрения биологии, физики и химии.)
Чандаева С.А.Физика и человек. М, АО «Аспект Пресс», 1994. (Пособие для учителей физики общеобразовательных учреждений, гимназий и лицеев).
Семке А.И.Уроки физики в 9 классе. Ярославль, Академия развития, 2004. (Развернутое планирование).
Семке А.И. Нестандартные задачи по физике. Ярославль, Академия развития, 2007 (Пособие для классов естественно-научного профиля).

Приложения.
1. Таблицы физических величин.

1.1 Физические параметры человека
(средние значения физических величин)

Скорость пешехода
Сила  сжатия динамометра кистью (в 16 лет)
удар боксера
удар ноги футболиста .
Предел прочности кости предплечья на сжатие
Мощность, расходуемая взрослым человеком в процессе:
сна
спокойной ходьбы
плавания
Энергия, получаемая организмом от 1 кг:
молока
картофеля
хлеба
риса
масла
Энергия, необходимая для жизнедеятельности за год
Коэффициент полезного действия мускулов
Нормальная температура:
тела
лба
ладоней
Масса воды, испаряющейся с поверхности тела за сутки
Объем крови, выбрасываемой сердцем за одно сокращение
Скорость крови в артериях до
Избыточное давление крови в артериях
Сила постоянного тока безопасная до
Электрическое сопротивление от одной ладони до другой
Скорость движения раздражения по нервам
Оптическая сила глаза
Угол зрения глаза
Диапазон длин волн видимого света
Интенсивность света
на пороге видимости
у болевого порога
Расстояние наилучшего зрения
Угловое разрешение глаза
Число различаемых цветовых оттенков
Мощность голоса
нормальная
максимальная
Диапазон звуковых частот
воспроизводимых при разговоре
слышимых
Интенсивность звука
на пороге слышимости
у болевого порога
Длительность
нервного импульса
моргания
зрительного ощущения
слухового ощущения
1,3 м/с
450 Н
3 кН
8 кН
170 МПа


74 Вт (63 ккал/ч)
310 Вт (270 ккал/ч)
580 Вт (500 ккал/ч)

0,25 МДж (60 ккал)
3.2 МДж (760 ккал)
8.3 МДж (2000 ккал)
14 МДж (3300 ккал)
33 МДж (7900 ккал)
4,7 109 Дж
около 20 %

З6,7°С
33,4°С
32,8°С

0,8-2,0 кг

60 см3
0,5 м/с
16/9,3 кПа  (120/70 мм рт. ст.)
1 мА

4400 Ом
40100 м/с
60 дптр
130-160°
380760 нм

4 10-13 Вт/м2
0,4 Вт/м2
25 см
1 сек
до 10 млн.

5 мкВт
2 мВт

85-340 Гц (2 октавы)
16 Гц-20 кГц (10 октав)

10-12 Вт/м2
100 Вт/м2

1 мс
0,4с
0,14 с
0,1 с


1.2 Средние скорости движения тел
В м/с

Пешеход 1,3
Слабый ветер 4 - 5
Стайер (бег на 10 000 м, мировой рекорд на 1.1.1989 г.) 6,12
Поршень трактора 6 - 7
Спринтер (бег на 100 м, мировой рекорд на 1.1.1989. г.) 10,16
Поршень двигателя грузового автомобиля 7 - 13
Поршень двигателя легкового автомобиля 8 - 16
Сильный ветер 10 - 12
Конькобежец (бег на 10 000 м, мировой рекорд на 1.1.1989 г.) 12,07
Конькобежец (бег на 500 м, мировой рекорд на 1.1.1989 г.) 13,72
Ветер при шторме 19 - 21
Молекула кислорода при t = 0°С 425
» » при t = 25°С 444
Молекула водорода при t=O°C 1693
» » при t = 25°С 1770
В км/ч
Трамвай 16 - 17
Поезд метрополитена 40
Грузовой поезд, средняя участковая скорость* движения (1986 г.) 32,3
Грузовой поезд, средняя техническая скорость* движения (1986 г.) 44,1
Пассажирские самолеты
Ил-14 320
Ан-10 550
Ил-18 575
В км/с
Луна по орбите вокруг Земли (1
Земля по орбите вокруг Солнца 29,8
Участковая скорость - скорость движения поезда между конечными станциями участка с учетом времени стоянок поезда на промежуточных станциях; техническая скорость скорость поезда без учета времени стоянок на промежуточных станциях.

1.3 Перегрузки

Перегрузка неподвижно стоящего человека 1
Пассажир при взлете самолета до 1,5
Парашютист во время раскрытия парашюта
при скорости падения 30 м/с 1,8
» » » 40 м/с 3,3
» » » 50 м/с 5,2
Летчик в момент катапультирования из самолета . . . до 16
Кратковременные перегрузки, относительно безболезненно переносимые тренированным человеком: в направлении «спина - грудь» и «грудь - спина» до 30
в направлении «голова - ноги» до 20
в направлении «ноги - голова» до 8
Длительная перегрузка, соответствующая пределу физиологических
возможностей человека 8
Перегрузки при спуске космических кораблей «Восток», «Восход» до 8 - 10
Перегрузка при спуске космических кораблей «Союз» до 3 – 4

1.4 Мировые спортивные рекорды
(на 1.1.1989 г.)

Вид состязаний и дистанция


Мужчины
Женщины


время, показанное на дистанции
средняя скорость, м/с
время, показанное на дистанции
средняя скорость,
м/с

Бег
100 м
200 м
400 м
800 м
1500 м
5000 м
10 000 м

Марафонский бег
(42 км 195 м)*

Бег на коньках
500 м
1500 м
5000 м
10 000 м

Плавание
100 м (вольный стиль)
200 м (вольный стиль)
400 м (вольный стиль)
100 м (брасс)
200 м (брасс)
100 м (баттерфляй)
200 м (баттерфляй)

9,83 с
19,72 с
43,29 с
1 мин 41,73 с
3 мин 29,46 с
12 мин 58,39 с
27 мин 13,81 с


2 ч 6 мин 50 с


36,45 с
1 мин 52,06 с
6 мин 43,59 с
13 мин 48,20 с



48,74 с

1 мин 47,25 с

3 мин 46,95 с
1 мин 1,65 с
2 мин 13,34 с

52,84 с

1 мин 56,24 с

10,16
10,14
9,24
7,86
7,16
6,42
6,12


5,5


13,72
13,39
12,38
12,07



2,05

1,86

1,76
1,62
1,50

1,89

1,72

10,49 с
21,34 с
47,60 с
1 мин 53,28 с
3 мин 52,47 с
14 мин 37,33 с
30 мин 13,75 с


2 ч 21 мин 0,6 с


39,10 с
1 мин 59,30 с
7 мин 14,13 с
-



54,79 с

1 мин 57,55 с

4 мин 3,85 с
1 мин 7,91 с
2 мин 26,71

57,93 с

2 мин 5,96 с

9,53
9,37
8,40
7,06
6,46
5,70
5,51


5,0


12,78
12,57
11,35
-



1,83

1,70

1,64
1,47
1,36

1,73

1,59


1.5 Таблица «Упругие характеристики материалов».

Материал
Модуль Юнга, 106 Па
Предел прочности на растяжение, 106 Па
Предел прочности на сжатие, 106 Па

Кость
15 00023 000
110130
120170

Сухожилие
600
5070


Хрящ
24
3


Ткань нервных стволов
80120
1215


Мышечная ткань
810
0,1 10


Стенка мочевого пузыря

0,2


Стенка желудка

0,4


Стенка кишечника

0,5


Стенка артерии

1.7


Волос

192


Эмаль
Зубы
Дентин
20 000

-
220

-
700

200

Сталь
200 000
380-470
500

Бетон
30 000
48
20

Алюминий
70 000
100200


Свинец

16


Чугун
115 000150 000
170
220250

Дерево (вдоль волокон)
10 00012 000
40
35

Дерево (поперек волокон)
5001000

10

Каучук
12
50



1.6 Расход энергии человека при различной деятельности (ориентировочные значения)
Вид деятельности
Расход энергии в 1 ч на 1 кг массы человека



кДж
ккал

Подготовка уроков
5,4 - 6,7
1,3 - 1,6

Практические занятия (лабораторные работы)
6,0 - 6,7
1,4 - 1,6

Чтение про себя
5,4
1,3

Физическая зарядка
14,3 - 20,6
3,4 - 4,9

Плавание
30,0
7,1

Сон
3,8
0,9

Спокойное лежание
4,6
1,1

Стойка «Вольно»
7,1
1,7

Управление мотоциклом
8,8
2,1

Сгребание сена
22,7 - 24,6
5,4 - 5,7

Работа прицепщика на сельскохозяйственных машинах
11,3 - 17,2
2,7 - 4,1

Ходьба по ровной дороге (со скоростью 5 км/ч)
13,9 - 18,4
3,3-3,9



1.7«Физика» человека (механические параметры)
Средняя плотность тела человека, кг/м3 1036
Плотность крови, кг/м3 1050 - 1064
Средняя скорость движения крови в сосудах, м/с
в артериях 0,2 - 0,5
в венах 0,10 - 0,20
в капиллярах . . . 0,0005 –
0,0020
Скорость распространения раздражения по двигательным и чувствительным
нервам, м/с 40-100
Нормальное избыточное давление в артерии руки взрослого
человека* нижнее (т. е. в начальной фазе сокращения сердца),
кПа (мм рт. ст.) ( 9,3 (70)
верхнее (т. е. в конечной фазе сокращения сердца),
кПа (мм рт. ст.) 16,0 (120)
Сила, развиваемая работающим сердцем, Н
в начальной фазе сокращения ( 90
в конечной фазе сокращения ( 70
Масса крови, выбрасываемая сердцем в 1 мин**, кг ( 3,6
Работа сердца при одном сокращении, Дж (кгс м ( 1 (( 0,1)
Мощность, развиваемая взрослым человеком, Вт при обычной
ходьбе по ровной дороге при слабом ветре 60 - 65
при быстрой ходьбе (7 км/ч) по ровной дороге при слабом ветре 200
при езде на велосипеде со скоростью 10 км/ч в безветренную погоду 40
при езде на велосипеде со скоростью 20 км/ч в безветренную погоду 320


1.8«Физика» человека (звуковые параметры)
Мощность голоса, Вт:
тихий шепот ( 10-9
речь обычной громкости ( 7 10-6
предельная громкость ( 2 10-3
Интенсивность звука при пороге слышимости, Вт/м2 10 - 12
Интенсивность звука при пороге болевого ощущения*, Вт/м2 10 - 100
Частоты, к которым ухо имеет наибольшую чувствительность, Гц
1500 - 4000
Частотный диапазон при обычном разговоре, Гц:
у мужчин 85 - 200
у женщин 160 - 340
Примерное число колебаний голосовых связок при пении, Гц:
бас 80 - 350
баритон 110 - 400
тенор 130 - 520
сопрано 260 - 1050
детский голос 260 - 1050
колоратурное сопрано 330 - 1400
Длина голосовых связок у певцов, см:
бас ( 2,5
тенор 1,7 - 2,0
сопрано ( 1,5
Рекордная высота звука женского голоса (при пении), кГц 2,35
Скорость звука в тканях тела, м/с 1530 - 1600

1.9«Физика» человека (тепловые параметры)
Нормальная температура тела, 0С 36,7
Температура отдельных участков тела, 0С
лба . 33,4
ладони рук 32,8
подошвы ног 30,2
Температура замерзания (плавления) крови, °С от -0,56
до -0,58
Удельная теплоемкость крови, кДж/(кг-К) 3,9
» » » кал/(г
·°С) 0,93
Масса воды, испаряющаяся с поверхности кожи и легких
в сутки, кг 0,8 - 2,0
Наиболее благоприятная для жизни человека относительная
влажность, % 40 - 60
Поверхностное натяжение крови, мН/м 60


1.10 «Физика» человека (электрические параметры)
Удельное сопротивление тканей тела, Омм:
мышцы 1,5
кровь 1,8
верхний слой кожи (сухой) 3,3105
кость (без надкостницы) 2106
Диэлектрическая проницаемость
кровь 85,5
кожа сухая 40 - 50
кость (без надкостницы) 6 - 10
Сопротивление тела человека от конца одной руки до конца
другой (при сухой неповрежденной коже рук)*, кОм .... (15
Сила тока через тело человека, считающаяся безопасной, мА до 1
Сила тока через тело человека, приводящая к серьезным
поражениям организма, мА (100
Безопасное электрическое напряжение (сырое помещение), В 12
Безопасное электрическое напряжение (сухое помещение), В 36
* Электрическое сопротивление человеческого тела определяется в основном сопротивлением поверхностного слоя кожи (эпидермиса).

1.11«Физика» человека (оптические параметры)
Длительность сохранения глазом возникшего зрительного
ощущения, с 0,14
Диаметр глазного яблока взрослого человека, мм . . 24 – 25
Расстояние между зрачками глаз («база глаз») у взрослого
человека, мм 54 - 72
Толщина склеры, мм 0,4 -1,0
Толщина сосудистой оболочки, мм до 0,35
Толщина сетчатки, мм 0,1-0,4
Диаметр хрусталика, мм 8 - 10
Наибольшая толщина хрусталика, мм 3,7 -4,0
Показатель преломления хрусталика ( 1,4
Фокусное расстояние хрусталика, мм ( 70
Оптическая сила хрусталика (у молодых людей), дптр от (19
до ( 33
Показатель преломления водянистой и студенистой
влаги 1,34
Давление прозрачной жидкости, заполняющей глаз
(внутриглазное давление), кПа . . . . ( 104
мм рт. ст. ( 780
Диаметр зрачка, мм
при больших (дневных) освещенностях 2 - 3
при малых освещенностях (0,01 лк) 6 - 8
Размеры слепого пятна (форма овальная) мм .... 1,5х2,0
Число палочек в сетчатке глаза, млн ( 130
Число колбочек в сетчатке глаза, млн ( 7
Длина волны света, к которой глаз наиболее
Чувствителен (желтозеленые лучи), нм 555
Оптическая сила всего глаза, дптр ( 60
Поле зрения неподвижного глаза, °
по горизонтали ок. 160
по вертикали ок. 130
Минимальный размер изображения предмета на сетчатке, при
котором две точки предмета воспринимаются раздельно, мм 0,002

Практические (лабораторные) работы.

Лабораторная работа № 1
Определение скорости равномерно движущегося объекта без использования измерительных приборов

Цель работы: научиться определять скорость равномерно движущегося объекта без использования измерительных приборов.
Приборы и принадлежности: игрушечный автомобиль.

Последовательность выполнения работы

Определите длину своей пяди / (пядь расстояние между большим и средним пальцами напряженной ладони) и интервал времени между двумя последовательными ударами своего пульса.
Подготовьте и разметьте при помощи пяди на столе или парте дистанцию для движения игрушечного автомобиля.
Заведите автомобиль, установите его на линию старта и приведите в движение в момент времени, совпадающий с ударом пульса. Определите число ударов пульса, соответствующих времени движения автомобиля по дистанции.
Рассчитайте путь, пройденный автомобилем, по формуле s = Nl, где N число пядей, уложившихся на дистанции.
5. Рассчитайте время его движения по формуле t=Tn где п число ударов пульса.
5. Вычислите скорость движения автомобиля по формуле

Запишите ответ, сделайте вывод.

Лабораторная работа № 2
Определение времени реакции человека

Цель работы: определить важную характеристику организма человека время его реакции.
Приборы и принадлежности: деревянный метр.

Последовательность выполнения работы

Один из участников опыта прижимает вертикально расположенный деревянный метр к стене так, чтобы середина метра находилась на уровне отметки на стене.
Затем, отвлекая внимание стоящего рядом партнера, отпускает метр в свободное падение. Второй участник должен остановить падение метра, прижав его к стене, так быстро, как сможет.
Отметив новое положение середины метра, измеряют длину его пролета Л по расстоянию между метками.
Вычисляют время реакции t по формуле
Повторяют опыт с другим участником
.
Записывают ответ, делают вывод.

Лабораторная работа № 3
Определить скорость движения указательного пальца при горизонтальном щелчке

Цель работы: Определить начальную скорость тела, заданную в горизонтальном направлении.
Приборы и принадлежности: металлический брусок массой 50-60 г, измерительная лента или линейка.
Выяснение теории. Пусть телом, воспринимающим щелчок, будет металлический брусок, поставленный вертикально на край стола.
Вопросы и задания классу (ответы в скобках):
1. Что будет с бруском после щелчка? (Придет в движение.)
2. Если считать, что щелчок это упругий удар, то что можно сказать о соотношении скорости пальца (n при щелчке и приобретенной бруском скорости (бо? (Они равны: (n = (б0.)
3. Чему будет равна конечная скорость бруска (б1? (Равна нулю: (б1 = 0.)
4. Какое движение совершает брусок и какой вид имеет его траектория? (Падение с начальной горизонтальной скоростью; по сути это два одновременных движения: свободное падение и равномерное движение по горизонтали со скоростью (б0; траектория часть параболы.)
5. Как выглядит чертеж? (см. рис.)
6. Что можно сказать о времени падения бруска и времени его полета по горизонтали? (Они равны.)
7. Как найти это время t? (Измерить высоту стола H, а далее рассчитать по формуле

8. Если рассматривать горизонтальную составляющую движения бруска, то как найти (б0? (Измерить дальность полета l и разделить на время полета t, так как движение по горизонтали равномерное: (б0= l / t.)
Вывод: все величины, входящие в формулу (б0, могут быть определены. Можно приступать к эксперименту.
Указания педагога. Нужно, чтобы брусок летел не слишком далеко, поэтому следует придавать ему не слишком большую скорость, т.е. щелчок не должен быть предельной силы. Толкать брусок нельзя. Для получения достоверного ответа опыт должен быть многократно повторен. Проведите эксперимент, изменяя силу щелчка: при слабом щелчке, средней силы, большой силы.
Ход роботы
1. Поставить брусок на край стола.
2. Измерить высоту стола Н.
3. Щелчком сообщить бруску горизонтальную скорость.
4. Измерить дальность полета l.
5. Вычислить время полета t бруска.
6. Рассчитать начальную скорость горизонтального полета:
(б0 = l/t.
7. Повторить опыт и расчеты не менее трех раз, меняя силу щелчка.
Таблица для записи результатов:

№ опыта
Измерения
Вычисления


Н,м
l, м
t,c
(б, м/с



Лабораторная работа № 4
Градуировка динамометра и определение становой силы человека

Цель работы: проградуировать самодельный динамометр и определить становую силу человека, силу обеих рук.

Последовательность выполнения работы

Подвешивая разные грузы к динамометру, определите в каждом случае удлинение пружины х. Результаты запишите в таблицу.
Таблица

т, кг






F, Н






х, м






По данным таблицы постройте график зависимости

Вычислите жесткость пружины.
Измерьте удлинение пружины динамометра, соответствующее действию становой силы человека. По графику определите значение становой силы.
При помощи ручного динамометра определите силы, развиваемые обеими руками человека.
Сделайте вывод, запишите ответ.


Лабораторная работа № 5
Определение коэффициентов трения подошв 'обуви человека о различные поверхности

Цель работы: определить значения коэффициентов трения подошв обуви человека о различные поверхности.

Последовательность выполнения работы

Один из участников опыта встает на доску. Другой поднимает ее за один край до тех пор, пока стоящий на доске человек не начнет с нее соскальзывать.
Измерьте высоту подъема доски А в момент соскальзывания с нее человека. Измерьте длину доски l.
Вычислите коэффициент трения по формуле

Повторите опыт для поверхностей из других материалов.
Сделайте вывод, запишите ответ.

Лабораторная работа № 6
Определение массы тела человека динамическим методом

Цель работы: определить массу тела человека динамическим методом.
Приборы и принадлежности: две легко подвижные тележки, секундомеры, сантиметровая лента.

Последовательность выполнения работы

Два человека (разной массы т1 и т2, одна из которых неизвестна) встают на две легкоподвижные тележки лицом друг к другу, упираясь ладонями друг о друга.
По сигналу одновременно оттолкнувшись, разъезжаются в разные стороны.

Измерьте расстояния s1 и s2, пройденные тележками до полной остановки.
Вычислите неизвестную массу по формуле

Сравните это значение массы с результатом, полученным другим способом.
Сделайте вывод, запишите ответ.
Повторите опыт для других пар участников.
Измерьте время разъезда t1 и t2.
Вычислите неизвестную массу по формуле

Сравните полученный результат с предыдущим.
Повторите опыт для других пар участников.
Запишите ответ, сделайте вывод.


Лабораторная работа № 7
Определение мощности, развиваемой человеком

Цель работы: определить значения развиваемой человеком мощности в разных физических упражнениях.
Приборы и принадлежности: секундомер, деревянный метр.

Последовательность выполнения работы

Выберите вид физических упражнений, для которых будете определять мощность.
При помощи секундомера и линейки измерьте характерные параметры движения: время, перемещения частей тела и т.п.
Оцените значение силы, развиваемой человеком при этих движениях.
Рассчитайте развиваемую мощность.
Сравните полученные вами значения мощности с результатами, полученными другими участниками опыта при других видах упражнений.
Запишите все результаты в тетрадь, стараясь расположить их в порядке возрастания развиваемой мощности.
Сделайте вывод, запишите ответ.

Лабораторная работа № 8
«Оценка собственной мощности»

Цель работы: оценить мощность, которую вы можете развить при прыжке в высоту с места.
Приборы и принадлежности: мерная лента, напольные весы

Последовательность выполнения работы
Мощность N при прыжке в высоту можно рассчитать, зная высоту Н подъема центра тяжести своего тела и время t прыжка. Тогда: N = A/t = mgH / t
Время t можно рассчитать, зная путь S, на котором действует сила мышц ног при разгибании колен, и начальную скорость (, с которой человек отрывается от Земли. Эту скорость легко определить, применив формулу:
(2 = 2gH отсюда
Принимая, что человек до отрыва от поверхности Земли движется с постоянным ускорением, можно записать::
Отсюда следует:
Величины Н, S и М находятся прямым измерением с помощью линейки и напольных весов.
Из полученной формулы видно, что при уменьшении приседания S мощность растет, но оказывается, что если вы вообще не будете приседать, то не сможете
оторваться от Земли.
Совершите ряд прыжков: при различных приседаниях S измерьте высоты Н своего подъема для каждого прыжка и рассчитайте свою мощность.
Чему равна максимальная мощность, которую вы можете развить при прыжке в высоту с места?
Сравните ее со средней мощностью, развиваемой человеком при ходьбе (60 Вт), а также с так называемой «лошадиной силой», равной 736 Вт. Объясните причины такого сильного различия.


Лабораторная работа № 9
Изготовление и изучение свойств секундного маятника

Цель работы: изготовить секундный маятник, познакомиться с его свойствами.
Приборы и принадлежности: нить, набор грузов, секундомер, линейка, пластилин.

Последовательность выполнения работы

Рассчитайте длину секундного маятника по формуле

Отмерьте на нити нужную длину, сделайте отметку (но не отрезайте).
Изготовьте маятник, подвесьте его к опоре.
4. Определите опытным путем период колебаний маятника. Для этого измерьте при помощи секундомера время t 20 колебаний (п). Тогда период можно будет рассчитать по формуле

5. Измените длину маятника, если окажется, что Т неточно равен 1 с. Повторите опыт по определению Т.
Убедитесь, что период колебаний получившегося математического маятника не зависит от амплитуды колебаний.
Убедитесь, что изменение массы груза (в разумных пределах) не влияет на период его колебаний.
Проверьте, насколько хорошо соответствует частота колебаний вашего маятника частоте ударов вашего пульса.
Сделайте вывод, запишите ответ.


Лабораторная работа № 10
Исследование зависимости периода колебаний физического маятника от его приведенной длины

Цель работы: установить (качественно), как зависит период колебаний физического маятника от его приведенной длины.
Приборы и принадлежности: качели, математический маятник переменной длины, секундомер.

Последовательность выполнения работы

Приведите в движение оба маятника. Их колебания не совпадут.
Изменяя длину математического маятника, сделайте ее такой, чтобы периоды колебаний обоих маятников стали одинаковыми.
Измерьте длину / получившегося математического маятника. По определению приведенной длины L физического маятника l = L.

(где l момент инерции физического маятника массой т; a расстояние от точки подвеса до центра масс; g ускорение свободного падения.)
Изменяя положение центра масс физического маятника, исследуйте зависимость Т от L (Положение центра масс качелей можно изменить, посадив на них человека, изменив его положение на качелях и т.п.)
Сделайте вывод, запишите ответ.


Лабораторная работа № 11
Определить рост человека с помощью часов

Цель работы: определить длину нитяного маятника и рост человека с помощью часов.
Приборы и принадлежности: часы с секундной стрелкой (или секундомер), металлический шарик малого диаметра со сквозным отверстием по центру, длинная нитка (примерно 2 м), штатив с муфтой и кольцом.
Идея опыта. Взять нить, отложить на ней отрезок, равный росту человека, а потом длину нити рассчитать на основе формулы периода колебаний математического маятника.
Выяснение теории.
Вопросы классу:
1. Каким образом маятник может стать измерителем длины? (Колебания шарика на длинной нити при небольших углах отклонения от положения равновесия можно рассматривать как колебания математического маятника. Его период зависит от длины нити и ускорения свободного падения и определяется формулой:

2. Что в формуле для / нам известно? (g, (.)
3. А что неизвестно? (Т.)
4. Как можно определить период? (Если отсчитать n колебаний и заметить по часам время t, за которое они совершены, то период T можно определить достаточно точно: Т = t/n.)
5. Какой окончательный вид с учетом этого приобретает формула для расчета длины l?


Последовательность выполнения работы

1. Привязать шарик к нити.
2. Попросить соседа отмерить такую длину нити, чтобы она была равна моему росту. Для этого на свободном конце нити сделать в нужном месте метку (например, узелок).
3. На стол поставить стул, а на стул штатив с кольцом. К кольцу привязать нить так, чтобы точка подвеса совпала с меткой (тогда длина нити будет равна моему росту), нужной длины математический мятник изготовлен.
4. Отклонить маятник от положения равновесия на 5 - 10 см и отпустить его.
5. Измерить время 20-ти полных колебаний.
6. Повторить измерения времени не менее 5 раз, не меняя условий опыта, и найти среднее значение времени tcp.
7. Используя эти данные, рассчитать длину нити l по формуле
приняв g, равным 9,8 м/с2.
Значение l это и есть мой рост.


Оценить погрешность работы.


Лабораторная работа № 12
Определить среднюю скорость поступательного движения кисти руки

Цель работы: исследуя гармонические колебания звучащего камертона, определить среднюю скорость поступательного движения кисти руки.
Приборы и принадлежности: линейка с миллиметровыми делениями, камертон (для записи гармонических колебаний), закопченное стекло.
Идея опыта. Пусть кисть руки совершает равномерное прямолинейное поступательное движение, перемещая что-либо, например, камертон с прикрепленной к его концу тонкой заостренной пластинкой. Если камертон заставить колебаться и, взяв за его ножку, провести пластинкой по закопченному стеклу, то на нем останется изображение синусоиды. Эта синусоида должна нам дать возможность определить данные, нужные для решения поставленной задачи.

Вариант I
Выяснение теории
Вопросы классу:
1. Что требуется знать, чтобы можно было рассчитать скорость кисти руки? (Нужно знать пройденный кистью путь s и время движения t.)
2. Как найти этот путь? (Измерить линейкой расстояние от начала синусоиды до ее конца; желательно, чтобы на отрезке уложилось целое число волн.)
3. Можно ли с помощью синусоиды определить время движения кисти? (Да.)
4. Как это сделать? (На ножке камертона написана частота его собственных колебаний (. Зная ее, можно рассчитать период колебаний камертона Т: Т = 1/(. Подсчитав, сколько n полных периодов укладывается на отрезке s, пройденном кистью, можно вычислить время движения t:: t = Тn. Отсюда (руки = s/t.)
5. Как найти среднюю скорость движения кисти руки?
Поэтому нужно найти (1, (2, (3 и т.д., беря для этого разные пройденные пути, на которых укладывается разное число волн.)

Вариант II

Идея опыта. Рассматривая синусоиду, можно выделить в ней длину волны ( и измерить эту длину. На ножке камертона написана частота его колебаний; по ней можно определить период колебаний камертона Т; Т = 1/(. Так как длина волны это произведение скорости движения ( на период колебаний Т, то скорость движения пишущей пластинки можно определить так: ( = (/Т. С этой скоростью была произведена запись колебаний, одновременно это и есть скорость поступательного движения руки, держащей камертон.
Ход работы для варианта II
1. Привести камертон в колебание, ударив по нему молоточком; взять его в руку и, передвигая равномерно и прямолинейно, «вычертить» острием пластинки на закопченном стекле кривую (синусоиду).
2. Используя получившийся график, определить длину волны. Для этого взять одно полное, хорошо наблюдаемое колебание и измерить линейкой длину волны (.
3. Выяснить частоту колебаний камертона (: прочесть надпись на его ножке.
4. Зная частоту колебаний камертона, вычислить период Т его колебаний.
5. Рассчитать скорость движения заостренной пластинки.
6. Полученные результаты занести в таблицу.

№ опыта
(, м
(, 1/с
Т, с
(, м/с
( ср, м/с


7. Опыт повторить 3-4 раза, измеряя разные участки синусоиды.
8. Вычислить среднее значение скорости кисти руки по формуле:

Вписать его в последнюю графу таблицы.
Сделать вывод о том, что повлияло на точность результата.


Лабораторная работа № 13
Определить частоту человеческого голоса при произнесении гласных звуков

Цель работы: научиться определять частоту человеческого голоса.
Приборы и принадлежности: осциллограф, школьный звуковой генератор, микрофон, камертон и молоточек к нему, соединительные провода, ключ.
Идея опыта. Использовать в качестве измерителей осциллограф и звуковой генератор.
Выяснение теории. Вначале познакомимся с тем, как, используя эти приборы, можно определять частоту звучания любого тела. В качестве тела возьмем камертон.
Собирают установку, состоящую из осциллографа, усилителя, микрофона. Микрофон соединяют со входом усилителя, выход усилителя подключают к входным клеммам осциллографа (вертикально отклоняющим пластинам).
Ударив по ножке камертона молоточком, подносят его к микрофону. На экране осциллографа наблюдают синусоиду. Вращая ручки настройки развертки, добиваются четкого изображения одного периода синусоиды на экране; зарисовывают картинку. Затем микрофон отключают и подключают к осциллографу звуковой генератор. Вращая ручку генератора, т.е. меняя частоту его работы, добиваются появления на экране такой же картинки, какую наблюдали ранее. Это возможно только тогда, когда частота работы генератора совпадает с частотой колебаний камертона. Получив совпадение картинок, по шкале генератора определяют его частоту, а значит, и частоту колебаний камертона. Для проверки можно посмотреть надпись на ножке камертона и убедиться, что метод верен.

Последовательность выполнения работы

Часть I
1. Используя изложенную теорию, научиться определять частоту камертона (другого).
2. Заменить камертон голосом и, произнося перед микрофоном гласный звук «а», способом, усвоенным ранее (см. п. 1), определить частоту этого звука.
3. Зарисовать в тетрадь наблюдаемую на экране картинку, рядом проставить значение найденной частоты.
4. Таким же путем найти частоту звука «о», потом «е», «у» и «и».
5. Сделать в столбик зарисовки «картинок» (см. п. 3).
6. Определить, с какой точностью найдены частоты. Ответить на вопрос «Как увеличить точность?»
Часть II
7. Найти частотные границы своего голоса.
8. Сравнить значения своих частот с данными, которые получены соседями, Сделать вывод.
9. Ответить на вопросы:
Влияет ли громкость звука на его частоту? Почему невозможно определить частоту звука, если в микрофон дышать или дуть?


Лабораторная работа № 14
Определение атмосферного давления

Цель работы: определить давление атмосферы важный параметр окружающей человека среды.
Приборы и принадлежности: стеклянная трубка с пробкой, резиновый шланг, линейки, штативы, вода, воронка.

Последовательность выполнения работы

1. Соберите установку в соответствии с рисунком 1.
Установив перемещением воронки с водой уровень воды в стеклянной трубке на расстоянии 10 -15 см от ее верхнего конца, закройте отверстие в трубке пробкой.
Измерьте высоту столба воздуха l в закрытой части трубки,
Опустите воронку на 1 1,5 м от первоначального положения. Измерьте h разность уровней воды в трубке и воронке и (l +
·l) высоту столба воздуха в закрытой части трубки после окончания опыта.
Вычислите атмосферное давление по формуле

Сравните полученное значение атмосферного давления с показаниями барометра.
Сделайте вывод, запишите ответ.


Лабораторная работа № 15
Определение влажности воздуха

Цель работы: определить один из важнейших параметров окружающей человека среды влажность воздуха при помощи самодельного гигрометра.
Приборы и принадлежности: термометр, самодельный гигрометр, изготовленный из полого шара с зеркальной поверхностью (из набора по электростатике) и установленный на подставке (рис. 2).

Последовательность выполнения работы

Заполните шар гигрометра водой комнатной температуры не более чем на 3/4 его объема.
Определите термометром температуру t в помещении, а затем опустите термометр в шар.
Опустите в воду кусок льда или снега и внимательно следите за поверхностью шара.
Как только поверхность шара станет матовой (на ней выступит роса), определите температуру воды t\. Она будет соответствовать температуре, называемой температурой (точкой) росы tp.
По таблице «Давление насыщающих паров при различных температурах» (см., например, [16, 106]) определите давление водяного пара рн, содержащегося в воздухе при данной температуре t, и давление р насыщенного пара при той же температуре (по точке росы tp).
Определите относительную влажность воздуха

Опыт проделайте три раза, вычислите среднее значение относительной влажности в помещении.
Запишите ответ, сделайте вывод.


Лабораторная работа № 16
Определение дыхательного объема легких человека

Цель работы: определить один из важнейших параметров организма человека дыхательный объем его легких.
Приборы и принадлежности: воздушный шарик, линейка, номограмма для определения площади поверхности (рис. 3).

Последовательность выполнения работы

Упражнение 1. Определение объема легких человека по площади поверхности его тела.

1. Вычислите площадь поверхности тела человека по формуле

где S площадь поверхности м2; т масса тела, кг; l длина тела, м.
2. Рассчитайте объем легких человека по формуле
V = 2,5*10-3S или V = 2,0*10-3S, где V объем, м3 ; S площадь, м2 .
(Формулы приведены для вычисления объема легких соответственно мужчин и женщин, так как считается, что каждому квадратному метру поверхности тела мужчины соответствует 2500 мл, а женщины 2000 мл объема легких.)
Определите площадь поверхности тела человека с помощью номограммы (см. рис. 3). Для этого соедините при помощи линейки прямой линией показатели массы и длины тела. Точка пересечения этой прямой со шкалой S даст значение площади поверхности.
Рассчитайте объем легких по формуле, приведенной в пункте 2.
Сравните результаты определения S разными способами. Сделайте вывод. Запишите ответ.

Упражнение 2. Определение дыхательного объема легких при помощи самодельного спирографа.
1. В качестве самодельного спирографа предлагаем использовать воздушный шарик. Этот выбор определяется возможностью иметь для каждого участника эксперимента свой прибор, не требующий дезинфекции при каждом использовании. При выдохе воздуха в шарик он надувается. Объем шарика можно вычислить, если измерить его диаметр, по формуле

Измерьте дыхательный объем своих легких Vдых. Для этого сделайте в шарик через рот 10 спокойных выдохов. Измерьте диаметр шарика, вычислите объем заполняющего его воздуха. Вычислите дыхательный объем легких, разделив объем шарика на 10.
Повторите опыт 3 раза. Вычислите средний дыхательный объем легких и запишите результат в таблицу.
Измерьте резервный объем выдоха Vp.выд.. Сразу после спокойного выдоха возьмите отверстие шарика в рот и сделайте максимально глубокий выдох. Определите объем шарика. Повторите опыт 3 раза, вычислите средний резервный объем выдоха, запишите результаты в таблицу.

Таблица
Основные параметры дыхания человека
Числовые значения

Возраст, лет
Пол Масса, кг
Длина тела, м
Площадь поверхности, м2
Дыхательный объем Vдых, л
Резервный объем выдоха Vр.выд, л
ЖЕЛ, л
Резервный объем вдоха VР.ВД, л
ЖЕЛ, л (теоретическая)
МЛВ, л/мин
МЛВ, л/мин (теоретическая)


Для определения жизненной емкости легких, взяв отверстие шарика в рот, сделайте глубокий вдох и максимально выдохните в шарик. Не отнимая шарик ото рта, повторите действия 5 раз. Определите диаметр и рассчитайте объем получившегося шара. Вычислите жизненную емкость легких (ЖЕЛ), поделив объем шара на 5. Результаты запишите в таблицу.
6. Рассчитайте резервный объем вдоха Vp вд по формуле VР.ВД = ЖЕЛ-(Vо.о+Vр. выд).
Результаты запишите в таблицу.
7. Вычислите теоретическое значение своей жизненной емкости легких (в литрах) по формуле
ЖЕЛ = [рост(м)*5,2-возраст(лет)0,022] 4,2 (для юношей) или ЖЕЛ = [рост(м)*4.1 - возраст(лет)*0,018] 3,7 (для девушек).
Результаты запишите в таблицу.
8. Сравните результаты определения основных параметров дыхания человека разными способами между собой и с нормой. Норма для ЖЕЛ составляет 2,83,8 л для юношей и 2,52,8 л для девушек [63, 202].
9. Сделайте вывод, запишите ответ.

Упражнение 3. Определение максимальной легочной вентиляции (МЛВ).

1. Возьмите в рот отверстие воздушного шарика. В течение 10 с дышите часто и глубоко, выдыхая воздух в шарик.
Измерьте диаметр шарика, вычислите его объем V.
Вычислите МЛВ по формуле МЛВ = 6V. Результат запишите в таблицу.
Вычислите МЛВ, представляющую норму для вашего возраста и пола, по формуле
МЛВ = [рост(м)*1,34 возраст(лет)*1,26]-21,4 (для юношей) или МЛВ = [71,3 - возраст(лет)][площадь поверхности тела(м2)] (для девушек).
Результаты запишите в таблицу.
5. Сделайте вывод. Запишите ответ.


Лабораторная работа № 17
Определение давления крови человека

Цель работы: определить характеристические параметры работы сердечно-сосудистой системы человека артериальное давление, систолический и минутный объемы крови.
Приборы и принадлежности: прибор для измерения давления, фонендоскоп, секундомер.

Последовательность выполнения работы

1. Ознакомьтесь с устройством прибора для измерения давления крови.
Обнажите левую руку участника опыта, плотно оберните манжету прибора вокруг середины его плеча так, чтобы ее нижний край находился на 2,53 см выше локтевого сгиба.
Установите фонендоскоп на лучевой артерии в области локтевого сгиба.
4. Проверьте уровень ртути в манометре: он должен стоять на нулевой отметке. Нагнетайте воздух в манжету до тех пор, пока манометр не покажет 160180 мм рт. ст. (до полного исчезновения пульса).
Медленно выпускайте воздух из манжеты. С помощью фонендоскопа установите момент, когда появится первый звук. Показания манометра при этом дадут значение систолического (верхнего) давления крови в артерии.
Зафиксируйте момент прекращения звука. Показания манометра в этот момент будут соответствовать значению диастолического (нижнего) давления крови.
Вычислите пульсовое давление как разницу между верхним и нижним давлениями.
Вычислите систолический объем крови по формуле
СО - [(101 + 0,5 ПД) - (0,6 ДД)] - 0.6А,
где СО систолический объем, мл; ПД пульсовое давление, мм рт. ст.; ДД диастолическое давление, мм рт. ст.; А возраст человека, год.
С помощью секундомера определите число сокращений сердца в минуту.
Вычислите минутный объем крови по формуле
МОК = СО -ЧСС,
где МОК минутный объем крови, мл; ЧСС число сокращений сердца в минуту.
Проверьте влияние физической нагрузки на кровяное давление и пульс.
Измерьте МОК человека в положении лежа.
Запишите ответ, сделайте вывод.


Лабораторная работа № 18
Определение сопротивления тканей тела человека постоянному и переменному электрическому току

Цель работы: определить сопротивление тканей тела человека постоянному и переменному электрическому току.
Приборы и принадлежности: элементы электрических цепей, изображенных на рисунках 4 и 5, проводники, свинцовые пластинки-электроды, применяемые для электропроцедур.

Последовательность выполнения работы

Упражнение 1. Определение сопротивления тканей тела человека постоянному электрическому току.

1. Соберите цепь в соответствии с рисунком 4. Выключите потенциометр. Переключатель П поставьте в положение а. Установите свинцовые пластинки на выбранный участок тела.
Замкните ключ и медленным перемещением движка потенциометра установите силу тока 100 мкА.
Измерьте U и /.
Перебросьте переключатель П в положение b и по максимальному отбросу милливольтметра определите ЭДС поляризации.
Вычислите сопротивление
Повторите опыт для другого участка тела.
Запишите ответ, сделайте вывод.

Упражнение 2. Определение сопротивления тканей тела человека переменному электрическому току.

Соберите цепь в соответствии с рисунком 5. Закрепите электроды на том же участке тела, что и в упражнении 1.
Установите ползунком реостата U = 0. Замкните ключ
Медленным перемещением движка установите ток 100 мА.
Измерьте U и I. Вычислите сопротивление R.
Опыт повторите трижды. (Больше трех измерений делать не рекомендуется, так как скапливающиеся у клеточных мембран ионы рассасываются медленно, что ведет к искажению результатов.)


Лабораторная работа № 19
Определение индукции магнитного поля Земли

Цель работы: определить значение индукции магнитного поля Земли.
Приборы и принадлежности: рамка с несколькими витками провода, гальванометр, компас.

Последовательность выполнения работы

При помощи стрелки компаса определите направление линии индукции магнитного поля Земли.
Установите рамку вертикально так, чтобы ее плоскость оказалась перпендикулярной направлению стрелки компаса.
Подсоедините гальванометр к катушке.
Поверните рамку на 180° вокруг вертикальной оси. Измерьте отброс стрелки гальванометра
·q.
Повторите опыт 5 раз и найдите среднее значение заряда, прошедшего через гальванометр при повороте рамки.
Вычислите модуль горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли по формуле
где R сопротивление провода рамки; N число витков в рамке; 5 площадь рамки.
Расположите рамку в горизонтальной плоскости и повторите опыт, поворачивая рамку на 180° вокруг горизонтальной оси.
Вычислите модуль вертикальной составляющей индукции магнитного поля Земли Вв.
Вычислите индукцию магнитного поля Земли по формуле
10. Запишите ответ, сделайте вывод.


Лабораторная работа № 20
Изучение свойств уха человека

Цель работы: получить спектральную характеристику уха человека на пороге слышимости.
Приборы и принадлежности: звуковой генератор (ЗГ), осциллограф.

Последовательность выполнения работы

Включите ЗГ и осциллограф в сеть. Выходное напряжение с ЗГ подайте на вертикальные пластины осциллографа.
Установите на ЗГ выбранную частоту. Добейтесь максимальной интенсивности звука при данной частоте.
Уменьшайте интенсивность звука до тех пор, пока он не пропадет. Отметьте амплитуду колебаний сигнала на экране осциллографа, соответствующую этому моменту. Результаты запишите в таблицу.
Таблица
f, Гц










/, дел










Повторите опыт 810 раз для разных частот.
Постройте график зависимости спектральной характеристики уха на пороге слышимости / =
·(f).
Сделайте вывод, запишите ответ.


Лабораторная работа № 21
Наблюдение некоторых психофизиологических особенностей зрения человека

Цель работы: наблюдать такие свойства зрения человека, как его бинокулярность, «борьбу полей зрения», способность к аккомодации.
Приборы и принадлежности: рисунок для обнаружения слепого пятна; булавки, укрепленные на основании; штатив; ширма с двумя отверстиями, расстояние между которыми меньше диаметра зрачка; рисунок для определения «борьбы полей зрения»; лист белой бумаги.

Последовательность выполнения работы

Упражнение 1. Обнаружение аккомодации глаза.

Посмотрите через отверстие в ширме на штатив, находящийся на расстоянии 2 - 4 м от глаза.
На расстоянии 25 - 30 см от глаз поместите булавку. Обратите внимание на ее раздвоение.
Закройте одно из отверстий ширмы. Отметьте момент, когда исчезнет изображение булавки.
Повторите опыт с булавкой. Отметьте момент раздвоения штатива и исчезновения его изображения при закрывании одного из отверстий ширмы.
Объясните наблюдаемые явления и зарисуйте соответствующие схемы хода лучей (рис. 6).



Упражнение 2. Обнаружение слепого пятна.

Поместите перед глазами рисунок 7.
Закрыв правый глаз, левым посмотрите на крест, расположенный в правой части рисунка.
Приближая и удаляя рисунок от глаза, убедитесь, что на определенном расстоянии изображенный в левой части рисунка круг выпадает из поля зрения.
Повторите опыт для другого глаза.
Объясните наблюдаемое явление и зарисуйте соответствующие схемы хода лучей.

Упражнение 3. Обнаружение «борьбы полей зрения».

Сверните из бумаги трубку в форме конуса длиной 1520 см.
Посмотрите на рисунок 8.
3. Переводя взгляд вдаль или надавливая на одно из глазных яблок, пронаблюдайте за изменением изображения. Опишите, что вы увидели. (Изображения квадратов начнут сближаться, пока не окажутся полностью наложенными друг на друга. При этом изображения обоих квадратов попадут на идентичные участки сетчатки обоих глаз. Однако в результате «борьбы полей зрения» линии штриховки квадратов одновременно видны не будут. Будет появляться то одно, то другое изображение, или одни линии будут сменять другие в разных частях квадрата.)
4. Приставьте трубку широкой стороной к правому глазу, а к левому на уровне узкой части раструба приставьтеладонь. Смотрите обоими глазами так, чтобы взгляд левого глаза был направлен на ладонь, а правого в раструб. Опишите, что вы увидели. (Вы должны увидеть, что ладонь кажется «продырявленной». Это объясняется тем, что поле зрения левого глаза оказывается сильнее, чем правого, в результате чего видна ладонь, приставленная к раструбу. Однако небольшой участок поля зрения правого глаза (отверстие раструба) освещен сильнее. Отсюда и «дырка» в предмете.)

5. Опишите свои ощущения письменно. Как вы объясните наблюдаемые явления?

Упражнение 4. Изучение особенностей бинокулярного зрения.

1. Один из участников опыта вкалывает 2 булавки в верхнюю часть деревянного бруска на некотором расстоянии друг от друга и, загородив опору ширмой, поворачивает устройство так, чтобы булавки оказались примерно на одном луче зрения.
2. Другой участник опыта, поочередно глядя на булавки то одним, то другим глазом, должен определить, какая из булавок находится ближе к нему.
3. Сравните результаты предыдущего опыта с результатом, полученным при рассматривании булавок обоими глазами.
4. Сделайте вывод о преимуществе зрения двумя глазами для оценки глубины расположения предметов.
5. Поясните свои рассуждения схемой хода лучей.
6. Установите примерно на одном луче зрения булавку и штатив. Глядя на булавку обоими глазами, наблюдайте, что будет происходить с изображением штатива.
7. Фиксируйте глазами штатив. Наблюдайте, что происходит с изображением булавки.
8. Повторите опыты, по очереди закрывая то один глаз, то другой.
9. Объясните происходящее, в опытах с помощью схемы. Что будет, если при раздвоении изображений закрыть сначала левый, а потом правый глаз?


Лабораторная работа № 22
Определение характеристических параметров зрения человека

Цель работы: определение силы аккомодации и остроты зрения, а также диаметра слепого пятна глаза человека.
Приборы и принадлежности: ширма с двумя отверстиями, расстояние между которыми меньше диаметра зрачка; две булавки, укрепленные на подставках; измерительная лента; карандаш, обернутый белой бумагой; лист белой бумаги; рисунок для определения остроты зрения (рис. 9).

Последовательность выполнения работы,

Упражнение I. Определение силы аккомодации глаза (работа выполняется вдвоем).
Определите ближнюю точку ясного видения. Для этого закройте один глаз, перед другим поместите ширму. Глядя открытым глазом через ширму на булавку, начните постепенно приближать ее к ширме. Определите и измерьте расстояние, на котором изображение булавки начнет раздваиваться. Результаты запишите в таблицу как положение ближней точки ясного видения для открытого глаза.
Таблица
Левый глаз
Правый глаз

Ближняя точка ясного видения, м
Дальняя точка ясного видения, м
Ближняя точка ясного видения, м
Дальняя точка ясного видения, м






Определите ближнюю точку ясного видения (возможно только для близорукого глаза). Для этого булавку, наоборот, постепенно удаляйте от глаз. Отметьте расстояние, при дальнейшем увеличении которого изображение булавки начинает раздваиваться. Результаты определения запишите в таблицу.
Вычислите оптическую силу хрусталика при отсутствии аккомодации:

где a1 расстояние до дальней точки ясного видения; b расстояние до сетчатки; F1 фокусное расстояние глаза.


4. Вычислите оптическую силу хрусталика при наибольшей аккомодации глаза:

где a2 расстояние до ближней точки ясного видения; b расстояние до сетчатки; F2 фокусное расстояние глаза при напряженном состоянии хрусталика.
5. Вычислите силу аккомодации глаза:
D = D2-D1.
Проделайте опыт для другого глаза.
Нарисуйте схему хода лучей в рассмотренных случаях.
Запишите ответ.

Упражнение 2. Определение размеров слепого пятна глаза.

1. Нарисуйте в верхнем углу листа бумаги крест. Закройте левый глаз, правым фиксируйте изображение креста. Из правого верхнего угла по направлению к кресту ведите карандаш, обернутый белой бумагой. Отметьте расстояние ВС, на котором изображение карандаша перестанет быть видимым, и расстояние АС, на котором опять возникнет изображение карандаша (рис. 10).
Измерьте расстояние ОК от глаза до изображения.

По формуле

определите диаметр слепого пятна. (Расстояние OL от узловой точки глаза до сетчатки примите равным 17 см. Расстоянием от узловой точки до роговицы за малостью можно пренебречь.)
Повторите опыт для другого глаза.
Вычислите средний диаметр слепого пятна ваших глаз.
Запишите ответ.

Упражнение 3. Определение остроты зрения.

Прикрепите к доске чертеж, изображенный на рисунке 9.
Постепенно отходя от чертежа, определите расстояние, на котором обе линии перестанут восприниматься раздельно. Измерьте его.
Измерьте расстояние между линиями чертежа.
По формуле вычислите расстояние между двумя изображениями линий рисунка на сетчатке (см. рис. 10).

Вычислите разрешающее угловое расстояние глаза по формуле

Определите остроту своего зрения по формуле

где х = 5*10-5 м расстояние, соответствующее разрешающему угловому расстоянию нормального глаза, равному Г.
Повторите измерения и вычисления для другого глаза.
Запишите ответ.


Лабораторная работа № 23
Определение спектральных границ чувствительности человеческого глаза

Цель работы: определить спектральные границы чувствительности человеческого глаза, используя дифракционную решетку.
Приборы и принадлежности: лампа накаливания, прибор для определения длины световой волны.

Последовательность выполнения работы

Включите лампу и расположите ее за экраном со щелью.
Установите экран на расстоянии L от дифракционной решетки. Рассматривая щель в экране через дифракционную решетку, изменением взаимного положения экрана и лампы добейтесь наилучших условий видимости.
Измерьте расстояния от центра щели на экране до красного и фиолетового краев спектра. Измерьте эти расстояния по правую и по левую сторону от щели на экране и найдите их средние значения.
По измеренному расстоянию до положения красного края спектра и расстоянию от дифракционной решетки до экрана вычислите тангенс угла по формуле
Определите угол, а затем синус полученного угла (sin
·КР).
По известному значению постоянной решетки d и найденному значению синуса угла определите длину волны красного света на границе воспринимаемого глазом спектра:
Повторите измерения и вычисления для фиолетового края спектра.
Запишите ответ. Сделайте вывод.


Лабораторная работа № 24
Определение солнечной постоянной.

Цель работы: определить одну из характеристик окружающего человека мира солнечную постоянную.
Приборы и принадлежности: лампа накаливания мощностью 200 - 300 Вт с прозрачным баллоном, измерительная лента.

Последовательность выполнения работы
Включите лампу. Приблизив ее к лицу, вы веками закрытых глаз ощутите, что веки нагрелись за счет инфракрасного излучения лампы. Выключите лампу.
Выйдите на улицу, подставьте лицо под излучение солнца. Запомните ощущение тепла, идущего от него.
Вернувшись в класс, найдите для лампы такое положение, при котором ее излучение оказывает такое же световое и тепловое воздействие на кожу ваших век, как и солнечное излучение. Измерьте расстояние от вас до лампы.
Вычислите плотность потока излучения от лампы по формуле:
, принять, что лампа излучает во все стороны равномерно (здесь Р - мощность лампы).
5. Предполагая, что спектр излучения Солнца и лампы одинаков, оцените значение солнечной постоянной.
6. Сравните полученный результат с табличным: а = 1350 Вт/м2.
7. Сделайте вывод, запишите результат.


Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 7

Рис. 6



   
·
· 
·
· Заголовок 6HYPER15Основной шрифт абзаца

Приложенные файлы

  • doc rabota.doc
    fail30
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 22