М.Д.БОВАЕВА,
гимназия г. Лагань, Республика Калмыкия
Физика человеческого организма
Предпрофильный курс, 34 ч (1 ч/нед.). 9-й класс
Логика природы есть самая доступная и самая полезная логика для детей.
К.Д.Ушинский
Обоснование выбора темы
Характерной чертой нашего времени является взаимопроникновение отдельных наук, образование комплексных отраслей. Становится ясным, что дальнейший прогресс в любой науке невозможен без использования достижений других отраслей знания. Физические методы воздействия и физические методы анализа внедряются во все науки естественного цикла. Биология и медицина изучают живой организм, такой сложный и многообразный, что точно описать все его характеристики и закономерности не представляется возможным до сих пор. Физика позволила исследовать основы жизни на молекулярном уровне. В результате появилась биофизика – наука, изучающая действия физических факторов на живые организмы. Из неё появилась медицинская биофизика, которая является фундаментом практической медицины. Развилась и бионика, которая изучает применение биологических закономерностей в технике для повышения качества и расширения функций систем, машин и приборов. Инженерные задачи решаются на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Многие спортивные достижения стали возможными благодаря развитию биофизики. Ясно, что любому человеку необходимо знать физические закономерности работы органов и систем своего организма, определить свои максимальные возможности. Предлагаемый курс предназначен для учащихся химико-биологического и медицинского профилей.
Цель курса – создать для учащихся базу для ориентации в мире современных профессий.
Задачи курса
– Ознакомить учащихся с элементами бионики, с физическими методами исследования и воздействия в медицине и биологии;
– научить применять знания в иных областях, нежели в тех, в которых они были получены;
– приобщать к творчеству, созданию новых моделей и приборов, используемых в практической медицине;
– приучать к здоровому образу жизни, приобщать к овладению здоровьесберегающими технологиями;
– научить пользоваться медицинскими приборами и инструментами.
СОДЕРЖАНИЕ
Тема 1. Биомеханика человека (5 ч)
1. Большие и маленькие на прогулке. Ходьба и бег человека. Зависимость вида передвижения от массы и размеров. «Живое колесо». Трение качения.
2. Масса тела и образ жизни. Биологические часы, ритм жизни. Работа скелетной мышцы. Зависимость силы мышцы от площади поперечного сечения. Понятие «аэробный» и «анаэробный» метаболизм. Изменение концентрации лекарства в крови после его введения.
3. Ускорение в жизни человека. Прыжки в длину и в высоту, приседания. Нарушения в организме человека при воздействии ускорений. Космическая биология. Способы обеспечения нормальной жизнедеятельности при перегрузках.
Задача. Рассчитайте ускорение ступни и головы при торможении об пол, если скорость человека 3 м/с, а прогиб пола 1 мм.
4. Простые механизмы. Ноги, руки, челюсти, череп – простые механизмы. Выигрыш в силе. Стайеры и спринтеры – особенности строения организма. «Быстрые» и «медленные» молекулы.
Задача. По известным значениям длины плеча и предплечья и величины груза найдите силу, развиваемую мышцей.
5. Лабораторная работа № 1 «Проверка правила моментов для руки и ноги человека».
6. Контроль усвоения темы (тесты).
Тема 2. Прочнее гранита (4 ч)
1. Деформации. Позвоночник, ноги, ступни – деформация сжатия; шея, туловище – деформация изгиба и кручения; сухожилия, мышцы – деформация растяжения. Прочность и лёгкость кости человека – решение инженерных конструкций. Определение архитектурной бионики.
2. Лабораторная работа № 2 «Устойчивость строительных конструкций и скелета».
3. Практическая работа № 1 «Изготовление модели падающей башни».
4. Физика карате. Запас прочности кости. Состав кости. Лечение переломов кости под действием тока. История возникновения японского стиля карате. Механизм карате.
Тема 3. Электричество в нашем организме (4 ч)
1. Живые ткани. Электрическое сопротивление тканей человека. Строение кожи.
Экспериментальная задача. С помощью омметра определите сопротивление своего тела, приложив щупы к кончикам пальцев обеих рук. Потрите ладони и пальцы друг о друга и вновь измерьте сопротивление. Намочите ладони и измерьте сопротивление. Сравните результаты и сделайте вывод. Рассчитайте значение своего смертельного напряжения, если критическая сила тока равна 0,1 А.
2. Живые конденсаторы и сопротивления. Проводники и диэлектрики. Строение клетки. Проницаемость мембраны, потенциал покоя и потенциал действия. Распространение нервного импульса.
Задача. Рассчитайте электроёмкость оболочки нерва.
3. Творческое задание. Придумайте модель биологического мини-компьютера. Придумайте модель кожного термометра.
4. Контроль усвоения (собеседование).
Тема 4. Механика сердечного пульса (7 ч)
1. Механика сердечного пульса. Артерии и пульс. Строение эритроцитов. Наследственный сфероцитоз. Деформация кровеносного сосуда. Образование пульсовой волны и скорость её распространения.
2. Аневризма. Механизм возникновения аневризмы. Проявление закона Паскаля. Причины аневризмы и особенности её протекания в пожилом и молодом возрасте.
3. Кровообращение. «Горизонтальные животные». Аналог «g-костюма» – джинсы.
4. Практическая работа № 2 «Изучение метода Рива–Роччи–Короткова для измерения артериального давления у человека».
5. Способы измерения скорости кровотока. Метод Ж.Пуазейля. Электромагнитный метод. Метод разведения индикатора. Метод А.Фика. Ультразвуковой метод.
6. Экскурсия на станцию переливания крови.
7. Контроль усвоения (зачёт).
Тема 5. Биологическая оптика (2 ч)
1. Глаз как оптический инструмент. Оптические параметры глаза. Понятие «приведённый глаз». Работы И.Кеплера и Э.Мариотта об изображении тел на сетчатке. Механизм восприятия света. Формула Бера–Ламберта.
Задачи
– Оцените максимальную оптическую
плотность родопсина, имеющего молекулярную
массу около 50 000 а.е.м. Диаметр молекулы около 5 
10–7 см, их
объём около 0,75 10–19 см3.
– Оцените количество фотонов, падающих на сетчатку глаза за 1 с.
2. Практическая работа № 3 «Изготовление модели глаза».
Тема 6. Как мы слышим? (3 ч)
1. Акустический импеданс. Понятие акустического импеданса. Акустический импеданс на уровне различных участков уха.
Задача. Найдите предельную чувствительность нашего уха, используя формулу для амплитуды синусоидальной звуковой волны.
2. Определение направления звука. Способы определения направления на источник звука: по временной задержке прихода звука к двум ушам и по разнице интенсивностей.
3. Аускультация и перкуссия в профессии врача. Практическая работа № 4 «Изготовление модели для принципа перкуссии».
Тема 7. Дыхание человека (7 ч)
1. Дышите глубже! А.Лавуазье и П.Лаплас о дыхании. Физические параметры дыхательного аппарата человека.
2. Дыхание и мыльные пузыри. Поверхностное натяжение и эластичность лёгкого. ПАВ в лёгком и их роль в дыхании.
3. Практическая работа № 5 – «Изготовление модели для измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости».
4. Ныряем! Дыхательная трубка. Токсическое действие чистого кислорода. Кессонная болезнь водолазов и ныряльщиков. Подводная медицина. Жизнь на подводных станциях. Трудности изучения глубин Мирового океана.
5. Осмос и диализ. Роль диффузии в дыхании. Лабораторная работа № 3 «Наблюдение осмоса и тургора».
6. Применение принципа тургора в архитектуре. Создание пневматических напряжённых конструкций.
7. Экскурсия в больницу. Знакомство с аппаратом «Искусственная почка».
Обобщающее занятие (2 ч)
Выступления учащихся с докладами на тему «Физика в моей будущей профессии».
Ожидаемые результаты
Учащиеся по окончании курса должны:
– знать физические основы работы человеческих органов и систем и последствия воздействия на организм физических приборов и различных излучений;
– понимать принципы действия приборов, применяемых в любой поликлинике;
– вести себя адекватно в чрезвычайных ситуациях, не преувеличивая и не преуменьшая опасность.
Литература
Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. – М.: Наука, 1986.
Варикаш В.М., Кимбар Б.А., Варикаш И.М. Физика в живой природе. – Минск, Народная асвета, 1984.
Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М.: Просвещение, 1988.
Сёмке А.И. Электрические явления в природе. – Физика («ПС»), 2004, № 3.
Новости науки. – Физика («ПС»), 2004, № 7.