Научно – практическая конференция «Молодость – науке» памяти А.Л.Чижевского. Исследовательская работа по физике «Познай себя»

Научно – практическая конференция

«Молодость – науке» памяти А.Л.Чижевского.

«Познай себя»

Котова Анастасия Алексеевна, ученица 9 «А»  класса

Муниципальное Общеобразовательное Учреждение

 средняя школа №1

г. Людиново

                                                                                                         г. Людиново

ул. К.Маркса д.10, кв.35

                                                                                                             6 -68 -95

                                                                                               Научный руководитель:

                                                                                                       учитель физики

                                                                                              Летута Ирина Ивановна.

2011 г.

Оглавление:

1. Введение………………………………………………………….. ………….3 стр.
2. Механические параметры тела человека

1. Определение  объема тела человека………………. ….........4-6 стр.
2.  Определение  площади поверхности тела человека………7 - 8 стр.
3.  Определение средней плотности тела человека………….8 стр.
4.  Определение длины моего шага при спокойной ходьбе…8 - 9 стр.
5. Определение длины шага, которым я могу идти по

скользкому льду……………………………………………………..9– 10 стр.

6. Определение силы мышц ног………………………………10 –13 стр.

3. Заключение………………………………………………………………….14 стр.
4. Литература……………………………………………………………..……15 стр.
5. Приложения…………………………………………………………………16 стр.

"Кто знает себя, тот знает, что для него полезно,

и ясно понимает, что он может и чего он не может".

Сократ

Введение.

Познай себя - предлагали древние мудрецы, считая, что познание себя - это высшее знание, к которому должен стремиться человек. Под процессом познания самих себя древние мудрецы понимали познание истинной структуры человека, дающей возможность комплексного раскрытия индивидуального «Я».

Человек – существо многогранное: он покорил высочайшие горные вершины, опустился в самые глубокие точки Мирового океана, побывал на Луне, расщепил атомное ядро. Но чаще всего мы  не  задумываемся,  а  что же мы  представляем  собой,  что мы можем  сделать,  какими возможностями и ресурсами обладаем?

В ходе работы с различной литературой по физике человека, меня заинтересовали исследованиями, которые проводились многими великими физиками и биологами. В курсе физики, изучаемом в современной школе, практически не уделяется внимания физическим параметрам, характеризирующим человека. Объяснение отдельных процессов, происходящих в живых организмах, на основе физических  законов  поможет  установить  причинно-следственные  связи,  существующие  в живой и неживой природе. И я решила более глубоко изучить различные параметры и возможности своего тела. Таких параметров много: механические, тепловые, оптические. Более подробно в данной работе я рассматриваю механические параметры своего тела. На сегодняшний день известно много способов измерения и определения тех или иных параметров человека.

Цель моей работы: исследовать механические параметры тела человека на своём примере для того, чтобы лучше узнать свои возможности, а также сравнить полученные в работе данные со среднестатистическими и общеизвестными параметрами тела человека.

Основная задача данной работы: предложить несколько вариантов исследования механических параметров тела человека, для того чтобы у каждого учителя и ученика был выбор каким из них воспользоваться для получения более точного результата.

Механические параметры тела человека.

1. Определение  объема тела человека (на своем примере).

Цель работы: объём моего тела для того, чтобы сравнить свои параметры со среднестатистическими.

Первый способ «Метод погружения в ёмкость»

Оборудоваение:  ванная, вода, литровая банка, маркер, мензурка

Основная идея решения: Наливаю в ванную воду и делаю первую (нижнюю) отметку по уровню воды. Затем, погружаюсь туда с головой и делаю вторую отметку. После этого я вылезаю из ванной и доливаю недостающее до верхней отметки количество воды литровой банкой. Объем воды, которую я долила, принимаем равным объему моего тела.

Ход работы:

1. Определяем количество банок с водой, необходимых для заполнения ванны.

Выполняю перечисленные выше действия и нахожу количество N1 банок, которые пришлось вылить в ванну для заполнения искомого объёма: N1=38.

Повторяю опыт ещё два раза N2=36, N3=39.

Разброс значений велик, поэтому повторяю опыт ещё семь раз, чтобы погрешность измерения была меньше. Получаем следующие значения N4=38, N5=39. N6=37, N7=38. N8=40, N9=39. N10=37.

Результаты измерений приведены в таблице 1

Таблица 1

2. Определяем объём воды в литровой банке

Наливаю в мензурку 100 мл воды и переливаю воду в банку. Повторяю до тех пока банка не заполнится до краёв.

Определяю, что объём банки Vбанки = 1015 мл.

Оцениваю погрешность найденного значения:

Погрешность измерения объёма мензуркой принимаю равной цене её деления,

т.е. ΔVмензурки = 1 мл.

Поскольку мензурку пришлось заполнять одиннадцать раз, то погрешность измерения объёма литровой банки равна ΔVбанки = 11 ΔVмензурки , т.е.

ΔVбанки = 11 мл (Поскольку первая значащая цифра равна единице, то при округлении следует оставлять две значащие цифры)

Следовательно, объём литровой банки равен Vбанки = (1015 ± 11) мл

Переводим в систему СИ

Vбанки = (1,015 ± 0,011) 10-3 м3.

3. Определяем объём тела Vтела = N Vбанки

Для измерения объёма тела используем метод верхней и нижней границы

VтелаВГ = (N+ΔN) (Vбанки + ΔVбанки)

VтелаВГ = (38,1+0,9)(1,015+0,011)·10-3 м3 ,         VтелаВГ = 40,014·10-3 м3 =40,0·10-3 м3 

VтелаНГ = (N-ΔN) (Vбанки - ΔVбанки)

VтелаНГ = (38,1-0,9)(1,015-0,011)·10-3 м3 ,         VтелаНГ = 37,3488·10-3 м3 =37,3·10-3 м3 

Находим объём тела как среднее арифметическое суммы наибольшего и наименьшего возможного значения объёма 

Vтела = 0,5(VтелаВГ+VтелаНГ) = (40,0+37,3)·10-3 м3 =38,65·10-3 м3 

Находим погрешность измерения объёма тела как полуразность наибольшего и наименьшего возможных значений объёма 

ΔVтела = 0,5(VтелаВГ-VтелаНГ) = (40,0-37,3)·10-3 м3 =1,35·10-3 м3 

Оставляем в числовом значении погрешности две значащие цифры (две, т.к. первая 1)

ΔVтела =1,4·10-3 м3 

Округляем итоговый ответ до минимального разряда числа, оставленного в абсолютной погрешности

Vтела = =38,7·10-3 м3 

Находим относительную погрешность измерения объема

εV = ΔVтела / Vтела 

εV = 3,6175…%, округляем до целых  εV = 4 %,

Итоговый ответ записываем в виде

Vтела = (38,7 ± 1,4)·10-3 м3 , εV = 4 %,

  Второй способ «Сумма геометрических тел»

Оборудование: рулетка Workman (погрешность измерения 0,5 см)

Основная идея решения: Тело человека можно представить (очень приближенно) в виде совокупности геометрических тел: голова-шар, шея – цилиндр, туловище – параллелепипед, рука-цилиндр. нога – цилиндр. Vтела = Vголовы+Vшеи +Vтуловища+2Vруки + 2Vноги (приложение рис.1)

Ход работы:

1. Оцениваем погрешности измерения длин. Погрешность измерения длины равна примерно цене деления рулетки, но, учитывая приближённость формы измеряемого тела, будем считать, что при каждом измерении мы ошибаемся на две цены деления, т.е. ΔL = 1 см.

2. Определяем объём головы.

Измеряем рулеткой длину окружности головы Lголовы 

Объём головы принимаем равным объёму шара и вычисляем по формуле

Vголовы=4/3(πR3)= Lголовы3/(6π)    

3. Определяем объём шеи.

Измеряем рулеткой длину окружности шеи Lшеи 

Измеряем рулеткой высоту шеи hшеи 

Объём шеи принимаем равным объёму цилиндра и вычисляем по формуле

Vшеи=πR2·hшеи = (Lшеи2·hшеи )/(4π)                      

4. Определяем объём туловища.

Измеряем рулеткой примерную ширину тела aтела 

Измеряем рулеткой примерную толщину тела bтела 

Измеряем рулеткой высоту тела cтела 

Объём шеи принимаем равным объёму цилиндра и вычисляем по формуле

Vтела=abc                       

5. Определяем объём руки.

Измеряем рулеткой длину окружности руки Lруки 

Измеряем рулеткой высоту руки hруки 

Объём руки принимаем равным объёму цилиндра и вычисляем по формуле

Vруки= (Lруки2·hруки )/(4π)                    

6. Определяем объём ноги.

Измеряем рулеткой длину окружности ноги Lноги 

Измеряем рулеткой высоту ноги hноги=

Объём ноги принимаем равным объёму цилиндра и вычисляем по формуле

Vноги =πR2·hноги = (Lноги2·hноги )/(4π)                       

Занесём измеренные значения в таблицу 2

Таблица 2

Для вычисления объёма тела воспользуемся методом верхней и нижней границы

7. Вычисляем наибольшее из возможных значение объёма тела

VтелаВГ = (Lголовы + ΔL)3/(6π) + ((Lшеи +ΔL)2·(hшеи + ΔL))/(4π)+ (aтела+ ΔL) · (bтела+ ΔL) · (cтела+ ΔL) + 2((Lруки +ΔL)2·(hруки + ΔL))/(4π)+ 2((Lноги +ΔL)2·(hноги + ΔL))/(4π).

VтелаВГ = (55 + 1)3/(6π) + ((32+1)2·(8 + 1))/(4π)+ (28+ 1) · (13+ 1) · (50+ 1) + 2((22 +1)2·(60 + 1))/(4π)+ 2((35 +1)2·(102 + 1))/(4π)=39484,4см3.

Аналогично вычисляем VтелаНГ = (Lголовы - ΔL)3/(6π) + ((Lшеи -ΔL)2·(hшеи - ΔL))/(4π)+ (aтела- ΔL) · (bтела- ΔL) · (cтела- ΔL) + 2((Lруки-ΔL)2·(hруки - ΔL))/(4π)+ 2((Lноги -ΔL)2·(hноги- ΔL))/(4π).

VтелаВГ = (55 - 1)3/(6π) + ((32-1)2·(8 - 1))/(4π)+ (28-1) · (13-1) · (50- 1) + 2((22 -1)2·(60 -1))/(4π)+ 2((35 -1)2·(102 - 1))/(4π)=31862,07см3.

Vтела = 0,5(VтелаВГ+VтелаНГ) 

Vтела = 0,5(39484,4см3+31862,07см3)=35673,055см3

 Переводим в систему СИ:

 Vтела = (35,67±2)10-3 м3

Делаем вывод:

Таблица 3

Как видно из таблицы 3 – показания полученные с помощью разных видов измерения получились практически одинаковыми.

2. Определение  площади поверхности тела человека (на своем примере).

Цель работы: определить площадь поверхности моего тела разными способами и сравнить полученные результаты.

Оборудование:

1) для первого способа:  туалетная бумага, рулетка Workman (погрешность измерения 0,5 см)

2) для второго способа:  формула S = 0,16 √ m, рулетка Workman (погрешность измерения 0,5 см), медицинские весы Scout Pro (погрешность 1 г)

3) для третьего способа: сайт www.doctor-soft.ru.

Первый способ :

Для измерения площади, я взяла туалетную бумагу размерами 0,12*0,09*165м. Обматывая части тела данной бумагой, измерила площадь поверхности своего тела. Результаты эксперимента:

S1=1,435м2.

Учитывая погрешность измерения – S1= (1,435±0,001)м2.

Второй способ:

В медицине часто, для определения площади поверхности тела человека, используется формула (эмпирическая формула):   S = 0,16 √ mh  ,  где m, кг – масса тела человека (измеряется при помощи медицинских (или электрических) весов), а h, м – рост человека (измеряется при помощи рулетки).

S2=(1,419 ± 0,05) м2.

Третий способ:

Также я предлагаю воспользоваться разработанной программой, которая используется в медицине и её можно найти на сайте www.doctor-soft.ru. (приложения, рис.2)Мой результат по данной программе -  S3=1,48 м2.

Четвертый способ:

Воспользуемся рисунком (приложение рис.1) для геометрического представления человека (голова – шар, рука (с пальцами, сжатыми в кулак) – цилиндр) и рассчитаем площадь с помощью геометрических формул. (таблица 4)

Делаем вывод                                                                                                            таблица 5

Значение площади поверхности моего тела S1и S4 почти совпадает с медицинскими данными (вычисленными по эмпирической формуле) S медицинская = (1,419 ± 0,05) м2. (таблица 5)

3. Определение средней плотности тела человека (на своем примере).

 Цель работы:  определить среднюю плотность тела человека, чтобы сравнить ее с плотностью воды.

Оборудование:

1. медицинские весы  Scout Pro (погрешность 1 г).
2. данные об объёме, полученные в работе 2.1.

Ход работы:

1. При помощи медицинских весов измеряю массу своего тела:

m = (48 ± 0,0001) кг

2. Средний объём моего тела V= 0,0387 м3 . (см.пункт 2.1)
3. Среднюю плотность своего тела плотность вычисляем по формуле

          ρВГ=m/VВГ                             ρВГ=48кг/40,0·10-3 м3=1,2·10-3кг/м3 

             ρНГ=m/VНГ                            ρНГ=48кг/37,3·10-3 м3=1,28·10-3кг/м3

За измеренное значение плотности принимаем полусумму верхней и нижней границ значений плотности

             ρ= (ρВГ+ ρНГ)/2                     ρ=(1,2·10-3кг/м3+1,28·10-3кг/м3)/2=1,24·10-3кг/м3

Вывод: мои данные отличаются от табличных, я думаю что это может зависеть от    строения моего тела.

4. Определение длины моего шага при спокойной ходьбе.

Цель работы:  определить среднюю длину моего шага для того, чтобы сравнить ее со среднестатистической длиной шага человека.

Оборудование:

1. рулетка Workman (погрешность измерения 0,5 см).

Ход работы:

1. Пройдя расстояние между двумя столбами, я подсчитала количество шагов N.

N = 60 шагов.

2. Измерив рулеткой расстояние между столбами  S = 35 м, я нахожу длину моего шага d1.

3. Необходимо выполнить измерения и расчеты еще 2 раза:

d2 = 0,700 м

d3 = 0,564 м

4. По формуле  рассчитываю среднюю длину своего шага:

dср  = (0,616 ± 0,026) м

Вывод:  средняя длина моего шага - d ср  = (0,616 ± 0,026) м

5. Определение длины шага, которым я могу идти по скользкому льду.

Цель работы:  определить длину шага, которым можно идти по скользкому льду, чтобы правильно оценивать свои возможности при ходьбе по скользкой поверхности.

Оборудование:

1. рулетка Workman (погрешность измерения 0,5 см).

Ход работы:

        Решить данную задачу можно с помощью второго закона Ньютона. На рисунке (приложения, рис.3) показаны силы, действующие на ноги человека и на его центр масс.

1. По второму закону Ньютона:

                           mg + N1 + N2 + Fтр1 +  Fтр2  = 0

        Спроецируем все силы на ось ОХ:

                Fтр1 - Fтр2 = 0                   (1)

        Спроецируем все силы на ось ОУ:

                - mg + N1 + N2  =  0         (2)

        Из (1) следует, что:

                Fтр1 =  Fтр2 = Fтр

Из (2) следует, что:

                mg = N1 + N2  = N + N  =  2N

2.  Fтр = µ N,   N =               Fтр  =                         

µ =  tg α =  

3. Чтобы человек при ходьбе не скользил, должно выполняться соотношение  

µ  ≥  tg α,  или  µ  ≥    ?   где d – длина шага, L – длина ноги.

Окончательная формула:

                                        d  ≤  2 L µ

4. Найдем коэффициент трения о лед подошвы моего сапога. Для этого мне необходимо встать на лед и найти такой угол, при котором подошва моего сапога еще не скользит по льду.

        Чтобы подсчитать коэффициент трения о лед моей подошвы, возьмем:        

        µ = tg α =         (приложение рис.4)

        Измерив рулеткой длину отрезков АС и ВС, я получаю, что:

                АС = (0,3 ± 0,005) м        

ВС = (0,035 ± 0,005) м

        Итак,

                  µ = tg α =                          

                    µ = (0,117± 0,0005)

5. При помощи рулетки я измеряю длину ноги L, м:

  L = (1,03±  0,005) м

6. Итак,  d  ≤  2 · 1,03 м · 0,126 ≈ 0,260 м

 d  ≤ (0,260  ±  0,015) м

Вывод: полученные результаты позволяют понять, почему человек при ходьбе по скользкой поверхности вынужден делать очень частые и мелкие шаги.

2.6  Определение силы мышц ног.

Цель работы: Определить силу мышц ног на основе знаний динамики и статики.

    Наше тело обладает большой подвижностью, и центр масс постоянно смещается.

Поэтому я предлагаю очень простой и доступный всем способ определения центра масс.

Теоретический анализ ситуации:

Проведение измерений:

Этап 1.

Для нахождения h1 и h2 необходимо знать координаты центра масс (ЦМ) человека в разных точках траектории:

• В начале прыжка, когда человек приседает, - у0,
• В момент отрыва от пола, когда человек как бы на мгновение встаёт на цыпочки, - у1,
• В самой верхней точки траектории – у2.

Измерить координаты ЦМ во время прыжка практически невозможно. Поэтому предлагаю другой приём: измерить координаты «точки» (кусочка мела в вытянутой вверх руке) , находящейся в разных стадиях прыжка на одном и том же расстоянии b от ЦМ:

• Первое измерение даёт : у0 + b
• Второе : у1 + b
• Третье : y2 + b

Так как расстояние от кусочка мела до центра масс постоянно, то на сколько смещается кусочек мела, на столько же смещается  и центр масс. Поэтому расстояние между отметками на стене будут равны искомым отрезкам  h1 и h2:

( y1 + b) – (y0 + b) = y1 – y 0 = h1

( y2 + b) – (y1+ b) = y2 – y 1 = h2

МОИ ИЗМЕРЕНИЯ:

таблица 6

Этап 2.

Используя формулу (6) определяю силу мышщ своих ног.

Для этого необходимо найти Р тела:

• m = 48 кг.,  
• Р = 480 Н.

таблица 7

Вывод: Рассчитав силу мышц ног, я в дальнейшем поставила для себя цель -  увеличить данное значение, регулярно занимаясь физическими упражнениями.

Заключение.

Человек не является объектом изучения физики. Но знать свои параметры, объём и площадь поверхности очень интересно, познавательно и увлекательно. Человек имеет очень сложную конфигурацию, но проведя несложные расчёты с большой точностью можно определить свой объём и площадь поверхности тела. Объём человека необходимо знать для расчета выталкивающей силы, что важно для подводного плавания и воздухоплавания. Так же необходимо учитывать объём, занимаемой человеком в ограниченном пространстве, например, в подводной лодке, в кабине самолёта или салоне автомобиля. Поэтому считаю, что предложенная формула имеет прикладное значение. Эти формулы с успехом можно применять в школе на уроках физики при изучении тем о плотности вещества, при расчётах выталкивающей силы. В этом случае объектом изучения становится конкретный ученик данного класса, что особенно занимательно.

Формулу для нахождения площади поверхности человека с успехом можно использовать на уроках физики для расчёта силы атмосферного давления. Так же эту формулу можно применять в больнице в ожоговом центре для расчёта площади, поражённого ожогом кожного покрова. Рассчитав полную площадь тела пациента, визуально оценив поражённую площадь можно вычислить необходимую площадь кожи для пересадки больному. Считаю, что полученные формулы займут достойное место в арсенале учителей физики и математики, сделают их уроки более занимательными.

Список использованных источников и литературы:

1. class-fizika.narod.ru/man.htm
2. www.everyday.com.ua/myplanet/human_param.htm
3. www.doctor-soft.ru.
4. Алексеева М.Н. Физика - юным. - М.: Просвещение, 1980.
5. Бутырский Г.А. Экспериментальные задачи по физике 10-11 класс. - М.: Просвещение, 2000.
6. Боярова О. и др. С головы и до пят. - М.: Детская литература, 1967.
7. Енохович А.С. Справочник по физике. - М.: Просвещение, 1991.
8. Елькин В.И. Необычные учебные материалы по физике. - М.: Школа-Пресс, 2001.
9. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1988.
10. Сергеев Б.А. Занимательная физиология.- М.: Просвещение, 1977.
11. Синичкин В.П. Синичкина О.П. Внеклассная работа по физике. – Саратов: Лицей, 2002.
12. Хуторской А.В., Хуторская Л.Н. Увлекательная физика. - М.: АРКТИ, 2000.
13. 21. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика. - М.: АСТ, 1998.

Приложения: