Распространение короновируса с точки зрения физики
проект по физике (10 класс)

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №4

Индивидуальный проект:

«Распространение коронавируса с точки зрения физики»

по предмету «Физика»

Выполнил(а): Гоголь Софья Алексеевна

Ученица 10 «А» класса

Руководитель: Власова Татьяна Петровна

Учитель физики

______________________

(подпись руководителя)

Боготол, 2022 г

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................................................................................3

Глава 1. Пути передачи коронавируса..............................................................5

Глава 2. Что такое объем лёгких и его параметры...........................................9

Глава 3. Практическая часть.............................................................................12

Определение объема легких экспериментальным путём………………12

Определение объема воздуха в кабинете………………………………..14

Вычисление коэффициента вероятности заражения……………….......15

Заключение.........................................................................................................17

Список использованных источников и литературы .....................................18.

Приложение …………………………………………………………………..19

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день человечество столкнулось с опасной вирусной инфекцией под названием COVID-19. Мы не раз прибегали к самоизоляции, цель которой - свести к минимуму контакты с людьми и замедлить распространение этой болезни, но нас все еще разделяют маски и социальная дистанция.

Коронавирус - острое вирусное заболевание, основным способом передачи которого является воздушно-капельный путь. Актуальность моего исследования заключается в том, что, несмотря на рекомендации врачей, детские сады и школы находятся на карантине по всей России во время эпидемий, что происходит в данный момент. Поэтому я хочу рассмотреть способы распространения коронавируса с точки зрения физики.

Я задалась вопросом, можно ли определить объем легких, ведь объем тел правильной формы и небольших тел неправильных форм я определять умею. Смогу ли я рассчитать примерное количество одних и тех же молекул, которые могут побывать в легких разных людей, находящихся в одном классе.

Проблема: Распространение коронавируса среди учащихся 10-х классов.

Цель: Определить коэффициент вероятности заражения коронавирусом учащихся 10 класса, а также людей того пола, которые более восприимчивы к этой инфекции, путем экспериментального измерения объема легких.

Задачи:

1. Изучить материал, литературу по предмету исследования.

2. Выбрать методы определения дыхательного объема легких и расчета количества вирусных молекул в кабинете.

3. Найти людей, желающих принять участие в исследовании.

4. Определить объем легких и рассчитать количество молекул вируса, которым дышат ученики в кабинете, используя выбранные методы.

5. Обработать полученные результаты, сравнить их, сделать выводы и представить полученные результаты в виде диаграмм.

Объект исследования: дыхательный объем легких учеников.

Предмет исследования: концентрация молекул коронавируса в воздухе школьного кабинета и вероятность распространения вирусов между учащимися 10-го класса.

Гипотеза: Можно предположить, что мужской пол более восприимчив к коронавирусной инфекции, чем женский.

Методы:

1. Анализ литературы

2. Проведение эксперимента

3. Математические методы обработки полученных результатов.

4. Статистика

5. Сравнение

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты моего исследования могут быть использованы для проведения профилактического урока среди учащихся 10 классов, под названием: «Методы профилактики распространения коронавируса». Данное мероприятие будет полезно для них, ведь во время урока, я познакомлю ребят с коронавирусом, путями передачи, симптомами, течением болезни, лечением и профилактикой коронавируса.

ГЛАВА 1. Пути передачи коронавируса

Механизм передачи инфекции - это способ перемещения инфекционного возбудителя от инфицированного организма к восприимчивому. Каждое инфекционное заболевание имеет свой собственный характерный путь передачи возбудителя, который сформировался в процессе эволюции для сохранения возбудителя как вида. [5]

Молекула коронавируса – это броуновская частица. В учебнике для 7 класса мы можем прочитать, что броуновская частица - это крошечная твердая частица, которая все время пребывает в движении и при этом движение ее хаотичное.[3]

Таким образом броуновская частица находится во взвешенном состоянии, то есть в жидкости или в газе и при этом испытывает постоянные бомбардировки со стороны более мелких молекул и атомов. Удары этих частиц приходятся с разной силой и с разных направлений и не компенсируют друг друга, а потому у броуновской частицы нет какой-то определенной траектории движения. Можно образно сказать, что она сама не знает куда отправится в следующий момент. [4]

Механизм передачи возбудителя включает три фазы:

1. Выведение возбудителя из организма хозяина в окружающую среду.
2. Наличие возбудителя в окружающей среде.
3. Внедрение возбудителя в новый восприимчивый организм.

Основным механизмом передачи коронавирусной инфекции является воздушно-капельный, при котором возбудители локализуются в слизистой оболочке дыхательных путей и передаются новому организму по воздуху.

Большие капли и маленькие капли: в чем разница?

Это довольно простой, хотя и несколько устаревший взгляд на механизм распространения респираторных заболеваний. Процесс начинается с того, что когда мы выдыхаем, чихаем или кашляем, в воздух выбрасывается облако газа и капли жидкости.

Если капли относительно большие, они тяжелые и, подобно дождю, падают на землю до того, как начнут испаряться. Другие капли меньше и становятся еще мельче из-за испарения. Эти более мелкие капли могут оставаться во взвешенном состоянии дольше, иногда до нескольких часов, перемещаясь вместе с воздушными потоками.

Важно: если капля достаточно маленькая, жидкость из нее испарится раньше, чем она успеет достигнуть земли, так что, если в этой капле содержатся, например, микробы, они становятся достаточно легкими, чтобы перемещаться в потоках воздуха, как пыль (отсюда и название).

Эти мелкие частицы часто называют аэрозолями. Аэрозоль. (от греч. аеr - воздух и нем. Sol - раствор) - система газа со взвешенными в нем твердыми и жидкими частицами. Саму схему разработал Уильям Уэллс, ученый, который в 1930-х исследовал передачу туберкулеза. В работе 1934 года Уэллс заключает: «Можно предположить, что передача инфекции по воздуху может происходить одним из двух путей, в зависимости от размера содержащей ее капли». [6]

Контактный

Этот вариант заражения реализуется, когда инфекция передается при прямом контакте со слизистыми заболевшего (при поцелуях) или ко(если болеющий чихал в ладони и после этого вы пожали ему руку). Возможен и непрямой (он же – опосредованный) контакт – это попадание вируса со слизистых на руки, а с грязных рук – на поверхности (стол, ручки дверей, технику и т.д.)

Примечание

Российские ученые уже много лет назад указывали на важность воздуха в распространении инфекционных заболеваний. В отчетах Санкт-Петербургской городской больницы 1881 года мы читаем: "Существует множество госпитальных инфекций с большим воспалением легких, рожей и другими заразными заболеваниями, не только у пациентов, но и у сотрудников, через воздух палат, которые чрезмерно перегружены больными".

В настоящее время советская наука располагает убедительным и неоспоримым материалом, свидетельствующим о важности воздуха в распространении многих инфекций [5].

ВЫВОДЫ

В первой главе нами были рассмотрены пути передачи коронавируса. Мы пришли к выводу о том, что чтобы себе защитить необходимо:

• В местах скопления людей, где необходимо прикасаться к поверхностям, нужно использовать перчатки или часто мыть руки, не касаться грязными руками лица, носа, рта и глаз.
• В домашних условиях, если есть больные люди, необходима влажная уборка или обработка поверхностей антисептиками.
• Также стоит отказаться от объятий и поцелуев с больными людьми.
• Избегайте людных мест.
• Откажитесь от посещения театров, музеев, кинотеатров, концертов и спортивных соревнований.
• Избегайте поездок на общественном транспорте, торговых центров и магазинов в час пик.
• Если нет возможности оставаться дома, старайтесь держаться подальше от людей на расстоянии более 1 м, особенно от тех, кто кашляет и чихает.

ГЛАВА 2. Что такое объем лёгких и его параметры

Дыхательный объем

Дыхательные объемы - это количество вдыхаемого, выдыхаемого и запасаемого в легких воздуха в любой момент времени. В норме он составляет 0,5—0,8 л, но диагностическим параметром считается его снижение на фоне увеличения частоты дыхания или наоборот. Существует ряд различных измерений и терминов, которые часто используются для описания этого, включая объем запаса вдоха, остаточный объем, жизненную емкость и многое другое. [8]

Минутный объем дыхания

МОД рассчитывается методом получения произведения показателя частоты дыхания на дыхательный объем. В следствие этого в норме у зрелого человека МОД составляет около 4—10 л. Данный параметр считается необходимым для оценки свойства вентиляции малейших элементах легких, альвеол. Так как при глубочайшем и поверхностном дыхании попадающий в легкие воздух по-всякому их заполняет. попадающий в легкие воздух по-разному их наполняет. При неглубоком, частом дыхании он может не доходить до альвеол, что снижает качество течения газообменных процессов в организме.

Возрастание показателей МОД может указывать на развитие легочной или сердечной недостаточности легкой и средней тяжести, тиреотоксикоза или поражений центральной нервной системы. Снижение же этой величины является признаком тяжелой легочной или сердечной недостаточности, микседемы или угнетения дыхания.[1]

Но МОД во многом зависит от психологического состояния пациента, степени тренированности легких, особенностей метаболизма. Поэтому часто этот показатель воспринимают в качестве вспомогательного.

Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) — емкость легких, соответствующая
максимальному объему воздуха, вдыхаемому или выдыхаемому данным человеком
одномоментно. Это один из показателей физического развития. ЖЕЛ может быть
достаточно точно рассчитана исходя из основных антропометрических размеров
грудной клетки. ЖЕЛ — это количество воздуха, которое индивидуум способен
выдохнуть после максимально глубокого вдоха. Жизненная емкость легких измеряется
с помощью спирометра. Обследуемый предварительно 2—3 раза делает глубокий вдох
и выдох, а затем, сделав максимальный вдох, плотно берет в рот мундштук спирометра
и, зажав свободной рукой нос, равномерно выдыхает воздух до отказа. Измерение
проводится три раза, учитывается наибольший показатель.
ЖЕЛ зависит от пола, возраста, размеров тела, состояния тренированности.
Она бывает в следующих пределах: у мужчин — 3,5-5,0 л; у женщин — 2,5-4,0 л. У
спортсменов эта величина может достигать: у мужчин 7,0 л и более, у женщин — 5,0 л
и более. В отдельных случаях у людей очень высокого роста ЖЕЛ может достигать 9,0
л.
Существует вычислительный метод определения должной «нормальной»
жизненной емкости легких, который заключается в следующем. Измерьте свой рост
без обуви и массу без одежды (если I масса измерена в одежде, то ее следует
уменьшить на 2 кг для мужчин и 1,5 кг для женщин, летом эта величина. Уменьшается
примерно в два раза). А затем, подставив полученные значения в формулу,
рассчитайте теоретический объем — жизненную емкость легких.
Расчетные формулы для должной жизненной емкости легких

Жизненная емкость легких

ЖЕЛ показывает не общий объем легких, а максимально возможный объем воздуха, который конкретный человек способен вдохнуть и выдохнуть, т. е. в него входит и резервный объем вдоха и выдоха. У здорового взрослого человека этот показатель равен 3000—5000 мл и приближается к индивидуально рассчитанной по математической формуле должной жизненной емкости легких (ДЖЕЛ). [7]

ДЖЕЛ для взрослых мужчин = (27,63 – 0,122 х В) х L;

ДЖЕЛ для взрослых женщин = (21,78 – 0,101 х В) х L.

В – возраст в годах, L – рост в см.

Цель работы:научить студентов рассчитывать жизненную ёмкость легких с помощью формул.

Оборудование: таблицы, калькулятор.

Ход работы:

1.Рассчитайте фактическую жизненную ёмкость легких в соответствии с Вашим возрастом и полом:

Для юношей 13-16 лет:

ЖЕЛ= (Рост (см) • 0,052) – (Возраст (лет) • 0,022) – 4,2

Для девушек 8-16 лет:

ЖЕЛ= (Рост (см) • 0,041) – (Возраст (лет) • 0,018) – 3,7

Для женщин по формуле Людвига:

ЖЕЛ= (Рост (см) • 0,041) – (Возраст (лет) • 0,018) – 2,68

ЖЕЛ= (Рост (см) • 40) + (масса (кг) • 10) - 3800

Для мужчин по формуле Людвига:

ЖЕЛ= (Рост (см) • 0,052) – (Возраст (лет) • 0,022) – 3,60

ЖЕЛ= (Рост (см) • 40) + (масса (кг) • 30) – 4400

2.По данным таблиц 1 или 2 определите нормативную жизненную ёмкость легких (ЖЕЛ):

В норме разница между полученным и рассчитанным показателем не должна быть более 15%. Незначительное снижение ЖЕЛ указывает на обструктивные заболевания бронхов.

На основе четырех этих параметров врачи оценивают несколько показателей объема легких:

• Общая емкость легких (ОЕЛ, TLC) – это сумма всех четырех объемов легких
• Жизненная емкость легких (ЖЕЛ, VC) – сумма Ровд, РОвыд и дыхательного объема
• Функциональная остаточная емкость (ФОЕЛ, FRC) - объем воздуха в легких после спокойного выдоха
• Ёмкость вдоха (IC) – сколько воздуха попало в легкие за один вдох.

Дыхательный цикл

Состоит из вдоха, выдоха и паузы.

• Вдох (Инспирация) – составляет от 0, 9 до 4, 7 с.
• Выдох (экспирация) – составляет от 1, 2 до 6 с.
• Дыхательная пауза - различна по величине или может отсутствовать
• Частота дыхательных движений (ЧДД) – определяется по числу экскурсий грудной клетки в минуту.

В норме:

1. У взрослых: 12 -18 в минуту

2. У новорожденных: 60 в минуту

3. У пятилетних: 25 в минуту.

В норме (в покое) объем воздуха, вдыхаемого или выдыхаемого взрослым человеком, при одном цикле, составляет 500 мл, а частота дыхания у него – от 16 до 20 (во время сна – до 12). Таким образом, в покое в минуту человек вдыхает от 8 литров воздуха, а в течение суток – около 11 500 литров (с поправками на частоту дыхания во время сна – соответственно меньше). [2]

ВЫВОДЫ

Во второй главе мы рассмотрели, что такое дыхательный объем легких и узнали его норму (0,5—0,8 л). Так же мы изучили его параметры: минутный объем дыхания и жизненная емкость легких. Так же узнали о дыхательных циклах и о норме объема воздуха, вдыхаемого или выдыхаемого взрослым человеком, при одном цикле.

ГЛАВА 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Определение объема легких экспериментальным путём

Нами было принято решение провести эксперимент в классе, в котором я обучаюсь среди своих одноклассников.

Определение дыхательного объема легких при помощи самодельного спирографа

Спирограф (спирометр) – это специальное медицинское диагностическое устройство, с помощью которого измеряются различные дыхательные параметры: частота и глубина дыхания, графическая регистрация, емкость легких (определяется потребление оксигена), изменение их объема. [9]

В качестве самодельного спирографа мы будем использовать воздушный шарик.

Цель работы: определить один из важнейших параметров организма человека - дыхательный объем его легких.

Приборы и материалы: воздушный шарик, линейка.

ХОД РАБОТЫ

1. Участники эксперимента после спокойного вдоха, выдыхают воздух в воздушный шар.

2. Мы сразу же закрутили отверстие в воздушном шаре, чтобы не выходил воздух. После положили шар на стол и, приложив к нему линейку, измерили диаметр шара, как это показано на рисунке

3. Сдули воздушный шар и повторили то же самое еще два раза. Вывели среднее и данные внесли в табл. 1

Таблица 1

ДЕВОЧКИ

1. (12,5 + 15 + 15) / 3 = 14,17
2. (14 + 15 + 17) / 3 = 15, 3
3. (13,5 + 14 + 14) / 3 = 13, 8
4. (10,5 + 10 + 12) / 3 = 10, 8
5. (16 + 17,2 + 17,5) / 3 = 16, 9

МАЛЬЧИКИ

1. (16 + 21 + 24) / 3 = 20, 3
2. (17 + 17 +17) / 3 = 17
3. (17 + 17,5 + 18) / 3 = 17, 5
4. (17,5 + 18 + 19) / 3 = 18, 2
5. (18 + 18 + 18) / 3 = 18

Формула расчета объема легких:

V = 1/6 * π * d3

V - объем легких

d - диаметр шара выдыхаемого воздуха

Мы получили для девочек диапазон объема легких от до м3.; для мальчиков от до м3.

Объем легких мальчиков больше, так как вес и рост мальчиков больше, чем девочек, а значит и количество вдыхаемого воздуха в легкие больше и это приводит к еще более частому захвату при вдохе молекул, побывавших в легких других людей. Значит мальчики более уязвимы к заражению коронавирусом.

2. Определение объёма воздуха в кабинете

После того, как мы провели эксперимент среди моих одноклассников и узнали их объем легких, нам нужно определить объем воздуха в классе.

Формула для вычисления:

V = S * h

V – объём воздуха в классе (м3)

S – площадь кабинета (м2)

h – высота кабинета (м)

V = 57 * 3, 5 = 199, 5 (м3)

Ответ: объём воздуха в кабинете 199, 5 м³

3. Вычисление коэффициента вероятности заражения

Мы вывели формулу вычисления коэффициента вероятности заражения коронавирусом во время урока (в случае присутствия контактного или больного):

(Vср. д или м * t) / Vкабинета = k

k - коэффициент вероятности заражения

Vср. д или м – дыхательный объем учеников класса (м3)

t – время урока (45 минут)

Vкабинета – объем воздуха в кабинете (м3)

Коэффициента вероятности заражения среди девочек:

Vср.д. = ( + + + +)/5 = 0,001588 (м3)

kд = ( 0,001588 * 45) / 199, 5 = 0,07146 / 199,5 = 0,00035819548 = 0,0004

Коэффициента вероятности заражения среди мальчиков:

Vср.м. = ( + + + + ) / 5 = 0,01597 / 5 = 0,003194 (м3)

kм = (0,003194 * 45) / 199, 5 = 0,14373 / 199, 5 = 0,00072045112 = 0,0007

Тем самым, общий коэффициент вероятности заражения коронавирусом среди учеников 10 класса:

Kобщ = (0,001588 + 0,003194 * 45) / 199, 5 = 0,21519 / 199, 5 = 0,00107864661 = 0,001

ВЫВОДЫ

В третьей главе мы провели эксперимент, благодаря которому мы вычислили объем легких учеников и узнали, что мальчики более уязвимы к заражению коронавирусом, чем девочки. Так же, с помощью формулы, мы смогли посчитать коэффициент вероятности заражения коронавирусом среди учеников 10 класса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• В ходе проведения эксперимента мы выяснили, что объем легких мальчиков намного больше, чем объем легких девочек.
• Проведенные нами эксперименты помогли убедиться в правильности выдвинутой нами гипотезы:

«Можно предположить, что мужской пол более восприимчив к коронавирусной инфекции, чем женский»

• Теоретическая значимость нашей работы заключается в том, что, познакомившись с нашими исследованиями, мы узнали много интересной и полезной информации о COVID – 19, его свойствах и характеристиках.
• Практическая значимость заключается в том, что результаты нашего исследования были использованы для проведения профилактического урока среди учащихся 10 классов, под названием: «Методы профилактики распространения коронавируса».
• Таким образом, задачи исследовательской работы решены, поставленная цель достигнута, выдвинутая нами гипотеза подтвердилась

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

Статья из энциклопедии

1. Детская энциклопедия. Ред. Д. Д. Благого, В. А. Варсанофьева и др.1 том. Микробы в воздухе. Издательство «Педагогика». 1958—1962 г. Объём — 6000 c. Тираж — 300 тыс. экз.

Статья из справочника

2. Большой справочник школьника. 5 – 11 классы. – 12-е изд., Б79 стереотип. – М. : Дрофа, 2010. – 1103, [1] c.

Учебная литература

3. Физика. 7 кл.: учебник /А.В. Перышкин. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2016. – 238 с.: ил.
4. Физика. 10 кл.: учеб. для общеобразоват.организаций: базовый и углубл.уровни /Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский; под ред. Н.А.Парфентьевой. – 6-е изд., перераб. И доп. – М.: Просвещение, 2018. – 432 с.: ил.

Статья из журнала

5. Сутормин О. Поговорим о воздухе, которым мы дышим. Сибирский Федеральный Университет 2000 г.

Электронные ресурсы

7. ​​
8. ​

​