Чтобы оценить эксплуатационные свойства изделий и определить физические и механические характеристики материалов, используются различные инструкции, ГОСТы и другие регламентирующие и рекомендательные документы. Рекомендуются и методы испытаний на разрушение целой серии изделий или однотипных образцов материала. Это не слишком экономичный метод, но эффективный.

Определение характеристик

Основные характеристики механических свойств материалов следующие.

1. Временное сопротивление или предел прочности - та сила напряжения, которая зафиксирована при наибольшей нагрузке перед разрушением образца. Механические характеристики прочности и пластичности материалов описывают свойства твёрдых тел сопротивляться необратимым изменениям формы и разрушению под влиянием внешних нагрузок.

2. Условным называется напряжение, когда остаточная деформация достигнет 0,2% длины образца. Это наименьшее напряжение в то время, как образец продолжает деформироваться без заметного увеличения нагрузок.

3. Пределом длительной прочности называют наибольшее напряжение, при данной температуре вызывающее в течение определённого времени разрушение образца. Определение механических характеристик материалов ориентируется на предельные единицы длительной прочности - разрушение происходит при 7 000 градусах по Цельсию за 100 часов.

4. Условным пределом ползучести называется напряжение, вызывающее при данной температуре за определённое время в образце заданное удлинение, а также скорость ползучести. Пределом считается деформация металла за 100 часов при 7 000 градусах по Цельсию на 0,2%. Ползучестью называется определённая скорость деформации металлов при постоянном нагружении и высокой температуре в течение длительного времени. Жаропрочность - это сопротивление материала разрушению и ползучести.

5. Пределом выносливости называют наибольшее значение напряжения цикла, когда усталостного разрушения не происходит. Число циклов нагружения может быть заданное или произвольное, в зависимости от того, как запланированы механические испытания материалов. Механические характеристики включают в себя усталость и выносливость материала. Под действием нагрузок в цикле накапливаются повреждения, образуются трещины, приводящие к разрушению. Это усталость. А свойство сопротивления усталости - выносливость.

Растяжение и сжатие

Материалы, которые применяются в инженерной практике, разделяются на две группы. Первая - пластичные, для разрушения которых должны появиться значительные остаточные деформации, вторая - хрупкие, разрушающиеся при очень малых деформациях. Естественно, такое деление весьма условно, потому что каждый материал в зависимости от создаваемых условий может повести себя и как хрупкий, и как пластичный. Это зависит от характера состояния напряжения, от температуры, от скорости деформирования и других факторов.

Механические характеристики материалов при растяжении и сжатии красноречивы и у пластичных, и у хрупких. Например, малоуглеродистую сталь испытывают растяжением, а чугун - сжатием. Чугун - хрупкий, сталь - пластична. Хрупкие материалы имеют большую сопротивляемость при сжатии, при деформации растяжения - хуже. Пластичные имеют примерно одинаковые механические характеристики материалов при сжатии и растяжении. Однако определяется их порог всё-таки растяжением. Именно этими способами можно более точно узнать механические характеристики материалов. Диаграмма растяжения и сжатия представлена в иллюстрациях к данной статье.

Хрупкость и пластичность

Что же такое пластичность и хрупкость? Первое - это способность не разрушаться, получая остаточные деформации в больших количествах. Такое свойство является решающим для важнейших технологических операций. Изгиб, волочение, вытяжка, штамповка и многие другие операции зависят от характеристик пластичности. К пластичным материалам относятся отожжённая медь, латунь, алюминий, малоуглеродистая сталь, золото и тому подобные. Гораздо менее пластичны бронза и дюраль. Совсем слабо пластичны почти все легированные стали.

Характеристики прочности пластичных материалов сопоставляют с пределом текучести, о котором будет сказано ниже. На свойства хрупкости и пластичности большое влияние оказывают температура и скорость нагружения. Быстрое натяжение придаёт материалу хрупкость, а медленное - пластичность. Например, стекло - материал хрупкий, но оно выдерживает длительное воздействие нагрузки, если температура нормальная, то есть показывает свойства пластичности. А пластична, однако при ударной резкой нагрузке проявляется как материал хрупкий.

Метод колебаний

Физико-механические характеристики материалов определяются возбуждением продольных, изгибных, крутильных и других, ещё более сложных а зависимости от размеров образцов, форм, типов приёмника и возбудителя, способов крепления и схем приложения динамических нагрузок. Крупногабаритные изделия тоже подлежат испытаниям с помощью данного метода, если существенно изменить методику применения в способах приложения нагрузки, возбуждения колебаний и регистрации их. Этим же методом определяются механические характеристики материалов, когда нужно оценить жёсткость крупногабаритных конструкций. Однако при локальном определении в изделии характеристик материала этот способ не используется. Практическое применение методики возможно только тогда, когда известны геометрические размеры и плотность, когда возможно закрепление изделия на опорах, а на самом изделии - преобразователей, нужны определённые температурные условия и т.д.

Например, при смене температурных режимов происходит то или иное изменение, механические характеристики материалов при нагревании становятся другими. Практически все тела в этих условиях расширяются, что влияет на их структуру. Любое тело имеет те или иные механические характеристики материалов, из которых оно состоит. Если по всем направлениям эти характеристики не изменяются и остаются одинаковыми, такое тело называют изотропным. Если же физико-механические характеристики материалов изменяются - анизотропным. Последнее является характерной чертой практически всех материалов, просто в разной степени. Но есть, например, стали, где анизотропность весьма незначительна. Наиболее ярко она выражена в таких естественных материалах, как дерево. В производственных условиях определяют механические характеристики материалов посредством контроля качества, где используются различные ГОСТЫ. Оценка неоднородности получается из статистической обработки, когда суммируются результаты испытаний. Образцы должны быть многочисленными и вырезанными из конкретной конструкции. Такой способ получения технологических характеристик считается довольно трудоёмким.

Акустический метод

Акустических методов для того, чтобы определить механические свойства материалов и их характеристики, достаточно много, и все они отличаются способами ввода, приёма и регистрации колебаний в синусоидальном и импульсном режимах. Используются акустические методы при исследовании, например, строительных материалов, их толщины и напряжённости состояния, при дефектоскопии. Механические характеристики конструкционных материалов также определяются с помощью акустических методов. Сейчас уже разрабатываются и серийно выпускаются многочисленные разнообразные электронные акустические приборы, которые позволяют регистрировать упругие волны, параметры их распространения как в синусоидальном, так и в импульсном режиме. На их основе определяются механические характеристики прочности материалов. Если используются упругие колебания малой интенсивности, этот метод становится абсолютно безопасным.

Недостатком акустического метода является необходимость акустического контакта, который далеко не всегда возможен. Поэтому работы эти не слишком производительны, если нужно срочно получить механические характеристики прочности материалов. Огромное влияние на результат оказывает состояние поверхности, геометрические формы и размеры исследуемого изделия, а также среда, где проводятся испытания. Чтобы преодолеть эти сложности, конкретную задачу нужно решать строго определённым акустическим методом или, напротив, использовать их сразу несколько, это зависит от конкретной ситуации. Например, стеклопластики хорошо поддаются такому исследованию, поскольку хорошая скорость распространения упругих волн, а потому широко используется сквозное прозвучивание, когда приёмник и излучатель располагаются на противоположных поверхностях образца.

Дефектоскопия

Методы дефектоскопии применяются для контроля за качеством материалов в различных областях промышленности. Бывают неразрушающие и разрушающие методы. К неразрушающим относятся следующие.

1. Для определения трещин на поверхностях и непроваров применяется магнитная дефектоскопия . Участки, которые имеют такие дефекты, характеризуются полями рассеивания. Обнаружить их можно специальными приборами или же просто наложить слой магнитного порошка на всю поверхность. На местах дефектов расположение порошка будет меняться уже при наложении.

2. Дефектоскопия проводится и с помощью ультразвука . Направленный луч будет по-разному отражаться (рассеиваться), если даже глубоко внутри образца имеются какие-нибудь несплошности.

3. Дефекты в материале хорошо показывает радиационный метод исследования , основанный на разнице в поглощении излучения средой различной плотности. Используется гамма-дефектоскопия и рентген.

4. Химическая дефектоскопия. Если поверхность протравить слабым раствором азотной, соляной кислоты или их смесью (царская водка), то в местах, где есть дефекты, проявляется сеточка в виде чёрных полосок. Можно применить метод, при котором снимаются серные отпечатки. В местах, где материал неоднороден, сера должна менять цвет.

Разрушающие методы

Разрушающие методы здесь уже частично разобраны. Образцы испытывают на изгиб, сжатие, растяжение, то есть применяются статические разрушающие методы. Если же изделие испытывают переменными циклическими нагрузками на ударный изгиб - определяются динамические свойства. Макроскопические методы рисуют общую картину строения материала и в больших объёмах. Для такого исследования нужны специально шлифованные образцы, которые подвергаются травлению. Так, можно выявить форму и расположение зёрен, например, в стали, наличие кристаллов с деформацией, волокона, раковины, пузыри, трещины и прочие неоднородности сплава.

Микроскопическими методами изучается микроструктура и выявляются мельчайшие пороки. Образцы таким же образом предварительно шлифуют, полируют и потом подвергают травлению. Дальнейшее испытание предполагает использование электрических и оптических микроскопов и рентгеноструктурного анализа. Основой этого метода служит интерференция лучей, которые рассеиваются атомами вещества. Контролируется характеристика материала с помощью анализа рентгенограммы. Механические характеристики материалов определяют их прочность, что является главным для построения конструкций надёжных и безопасных в эксплуатации. Поэтому материал проверяется тщательно и разными методами во всех состояниях, какие он способен принять, не потеряв высокий уровень механических характеристик.

Методы контроля

Для проведения неразрушающего контроля за характеристиками материалов большое значение имеет правильный выбор эффективных методов. Наиболее точны и интересны в этом плане методы дефектоскопии - контроль дефектов. Здесь необходимо знать и понимать различия между способами реализации методов дефектоскопии и методов определения физико-механических характеристик, поскольку они принципиально отличаются друг от друга. Если последние основываются на контроле физических параметров и последующей их корреляции с механическими характеристиками материала, то дефектоскопия зиждется на прямом преобразовании излучения, которое отражается от дефекта или проходит контролируемую среду.

Лучше всего, конечно, контроль комплексный. Комплексность заключается в определении оптимальных физических параметров, по которым можно выявить прочностные и прочие физико-механические характеристики образца. А также одновременно разрабатывается и затем осуществляется оптимальный комплекс средств контроля над дефектами структуры. И, наконец, появляется интегральная оценка данного материала: определяется его работоспособность по целому комплексу параметров, которые помогли определить неразрушающие методы.

Механические испытания

С помощью таких испытаний проверяются и оцениваются механические свойства материалов. Этот вид контроля появился очень давно, но до сих пор не потерял своей актуальности. Даже современные высокотехнологичные материалы потребители достаточно часто и ожесточённо критикуют. А это говорит о том, что экспертизы должны проводиться тщательнее. Как уже было сказано, механические испытания можно подразделить на два вида: статические и динамические. Первые проверяют изделие или образец на кручение, растяжение, сжатие, изгиб, а вторые - на твёрдость и на ударную вязкость. Современное оборудование помогает выполнять эти не слишком простые процедуры качественно и выявлять все эксплуатацонные свойства данного материала.

Испытанием на растяжение можно выявить сопротивляемость материала к воздействию приложенного постоянного или возрастающего растягивающего напряжения. Метод старый, испытанный и понятный, используемый очень давно и до сих пор широко. Образец растягивается вдоль по продольной оси посредством приспособления в испытательной машине. Скорость растяжения образца постоянная, нагрузка измеряется специальным датчиком. Одновременно контролируется удлинение, а также соответствие его прилагаемой нагрузке. Результаты таких испытаний чрезвычайно полезны, если нужно содавать новые конструкции, поскольку пока никто не знает, как они себя поведут под нагрузкой. Подсказать может только выявление всех параметров упругости материала. Максимальное напряжение - предел текучести выносит определение максимальной нагрузки, которую данный материал может выдержать. Это поможет вычислить запас прочности.

Испытание твёрдости

Жёсткость материала рассчитывается по Сочетание текучести и твёрдости помогает определить упругость материала. Если в технологическом процессе присутствуют такие операции, как протяжка, прокатка, прессование, то величину возможной пластической деформации знать просто необходимо. При высокой пластичности материал сможет принять любую форму при соответствующей нагрузке. Методом выявления запаса прочности может служить также и испытание на сжатие. Особенно если материал является хрупким.

Твёрдость испытывают с помощью идентора, который выполнен из гораздо более твёрдого материала. Чаще всего проводится по методу Бринеля (вдавливается шарик), Виккерса (идентер в форме пирамидки) или Роквелла (используется конус). В поверхность материала вдавливается идентор с определённой силой в определённый период времени, а потом изучается оставшийся на образце отпечаток. Есть и другие достаточно широко применяемые испытания: на ударную прочность, например, когда оценивается сопротивление материала в момент приложения нагрузки.

Механическая работа, которую способен совершить человек в течение дня, зависит от многих факторов, поэтому трудно указать какую-либо предельную величину. Это замечание относится и к мощности. Так, при кратковременных усилиях человек может развивать мощность порядка нескольких киловатт. Если спортс­мен массой 70 кг подпрыгивает с места так, что его центр масс поднимается на 1 м по отношению к нормальной стойке, а фа­за отталкивания длится 0,2 с, то он развивает мощность около

При ходьбе человек совершает работу, так как при этом энер­гия затрачивается на периодическое небольшое поднятие тела и на ускорение и замедление конечностей, главным образом ног.

Человек массой 75 кг при ходьбе со скоростью 5 км/ч разви­вает мощность около 60 Вт. С возрастанием скорости эта мощ­ность быстро увеличивается, достигая 200 Вт при скорости 7 км/ч. При езде на велосипеде положение центра масс человека изме­няется гораздо меньше, чем при ходьбе, а ускорение ног тоже меньше. Поэтому мощность, затрачиваемая при езде на велосипе­де, значительно меньше: 30 Вт при скорости 9 км/ч, 120 Вт при 18 км/ч.

Работа обращается в нуль, если перемещения нет. Поэтому, когда груз находится на опоре или подставке или подвешен на нити, сила тяжести не совершает работы. Однако каждому из нас знакома усталость мышц руки и плеча, если держать неподвижно на вытянутой руке гирю или ган­тель. Точно так же устают мышцы спины и поясничной области, если Сидящему человеку поместить на спину груз. В обоих случаях груз неподвижен и работы нет. Уста­лость же свидетельствует о том, что мышцы совершают работу. Та­кую работу называют статиче­ской работой мышц.

Статики (неподвижности) такой, как ее понимают в механике, на самом деле нет. Происходят очень мелкие и частые, незамет­ные глазу сокращения и расслабления, и при этом совершается работа против сил тяжести. Таким образом, статическая работа человека на самом деле является обычной динамической работой.

Для измерения работы человека применяют приборы, назы­ваемые эргометрами. Соответствующий раздел измерительной, техники называется эргометрией.

Примером эргометра служит тормозной велосипед (велоэргометр; рис. 4.1). Через обод вращающегося колеса перекинута стальная лента 2. Сила трения между лентой и ободом колеса из­меряется динамометром 3. Вся работа испытуемого затрачивается на преодоление силы трения (остальными видами работ пренебрегаем). Умножив длину окружности колеса на силу трения, най­дем работу, совершаемую при каждом обороте, а зная число оборотов и время испытания, определим полную работу и среднюю мощность.

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 4 им. В.В.Бианки»

города Бийска Алтайского края

Программа

элективного курса по физике

«Физика. Человек. Здоровье»

для учащихся 9-х классов

учитель физики МБОУ «СОШ № 4 им. В.В.Бианки»

г. Бийска Алтайского края

Бийск

2012-2013

Пояснительная записка

к программе элективного курса по физике

«Физика. Человек. Здоровье»

Элективный курс «Физика. Человек. Здоровье»

предусматривает углубление и расширение тем базовой программы по физике и предназначен для учащихся 9-х классов, выбирающих дальнейший естественнонаучный профиль обучения и строящих дальнейшую собственную образовательную траекторию в области политехнических наук.

Элективный курс является частью учебного плана МБОУ «Средней общеобразовательной школы № 4 имени В.В. Бианки» и отражает методику реализации программ учебных курсов и дисциплин с учетом:

требований федеральных компонентов государственных образовательных стандартов;

обязательного минимума содержания образовательных программ;

максимального объема учебного материала для учащихся;

требований к уровню подготовки выпускников;

объема часов учебной нагрузки, определенного учебным планом школы.

Курс рассчитан на 35 часов (1 урок в неделю).

Актуальность и новизна

В курсе физики, изучаемой в современной школе, практически не уделяется внимания на физические параметры, характеризующие человека. Однако, в связи с моделированием процессов, происходящих в живых организмах, в технике, развитием такой современной науки как бионика, у учащихся все чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека.

С другой стороны, даже в обычной городской поликлинике каждый человек сталкивается с большим числом физических методов исследования своего организма. Например, измеряется кровяное давление, регистрируются биопотенциалы сердца, проводятся физиотерапевтические лечения заболеваний с применением различной аппаратуры, вырабатывающей широкий спектр электромагнитных излучений.

Во многих семьях появились медицинские приборы, позволяющие самостоятельно проводить небольшие диагностические исследования собственного организма (определение давления, сахара в крови человека и др.).

Программа данного элективного курса позволит учащимся значительно расширить свои знания в области физики человека за счет изучения отдельных процессов, происходящих в живых организмах на основе физических законов. Поможет установить причинно-следственные связи, существующие в живой и неживой природе, сформирует интерес не только к физике, но и к другим наукам, в частности, биологии.

Элективный курс так же ориентирует учащихся на создание здоровьеохранного пространства ученика, которое является выражением гармонического взаимодействия всех его органов и систем, динамического уравновешивания с окружающей средой и проявляется в состоянии комфортного самочувствия. Позволит раскрыть некоторые методы здоровьесберегающих процессов, способных поддерживать организм и ответственно относиться к собственному здоровью, использовать личностные ресурсы.

Программа составлена таким образом, что в ходе изучения данного курса учащиеся не только удовлетворят свои образовательные потребности, но и получат навыки исследовательской деятельности, познакомятся с краткими данными о медицинской и биологической аппаратуре, расширят компетенции в вопросах профессионального самоопределения, сформируют учебную мотивацию для более осмысленного изучения физики в дальнейшем.

Это позволит расширить каждому ученику базовые компетентности современного человека: информационную (умение искать, анализировать, преобразовывать, применять информацию для решения проблем); коммуникативную (умение сотрудничать с другими людьми); самоорганизацию (умение ставить цели, планировать, ответственно относиться к здоровью); самообразование (готовность конструировать и осуществлять собственную образовательную траекторию на протяжении всей жизни).

При изучении данного элективного курса появляется возможность реализации современной тенденции образования, заключающейся в том, что усвоение предметного содержания из цели образования превращается в средство такого эмоционального, социального и интеллектуального развития школьника, которое обеспечивает переход от обучения к самообразованию.

Система и форма занятий подобраны таким образом, что окажет помощь в решении стоящей на современном этапе перед учителем проблемы: научить ребенка таким технологиям познавательной деятельности, умению осваивать новые знания в любых формах и видах, чтобы он мог быстро, а главное качественно обрабатывать получаемую им информацию. Затем применять ее на практике при решении различных видов задач (и заданий), почувствовать личную ответственность и причастность к процессу учения, готовить себя к дальнейшей практической работе и продолжению образования.

Элективный курс так же ориентирует на обеспечении права выбора каждым учеником профессионального самоопределения и своего дальнейшего образовательного и профессионального пути.

При проведении занятий темы курса можно комбинировать с темами биологии и анатомии человека, но главной предметной областью является физика.

Цели и задачи элективного курса. Ожидаемые результаты.

Основные цели курса:

Создание ориентационной и мотивационной основы для осознанного выбора естественнонаучного профиля, чтобы ученик утвердился в сделанном им выборе дальнейшего обучения или отказался от него;

Ознакомление с основными методами применения физических законов в медицине, развитие познавательного интереса к современной медицинской технике;

Показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму, перспективное развитие науки и техники, а так же показать, в каких сферах профессиональной деятельности им пригодятся полученные знания;

Развивать познавательную активность и самостоятельность, стремление к саморазвитию и самосовершенствованию;

Рассмотреть индивидуальные траектории валеологических аспектов сохранения собственного здоровья, как одного из условий повышения качества образования.

Данный элективный курс решает следующие задачи:

углубление знаний о материальном мире и методах научного познания природы, неотъемлемой частью которой является сам человек;

развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся в процессе практического применения знаний, умений и навыков по физике, самостоятельного приобретения знаний с использованием различных источников информации;

через развитие интереса к предмету повлиять на выбор учениками сферы профессиональной деятельности, способствовать формированию внутренней мотивации к реализации выбора в дальнейшем обучении;

создание условий для формирования и развития у обучающихся творческих способностей, умения работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения, интереса к изучению физики и проведению физического эксперимента.

Ожидаемыми результатами данного элективного курса являются:

получение представления о широком спектре физических явлений и законов, благодаря которым нормально функционирует здоровый организм человека;

воспитание культуры сохранения собственного здоровья, пропаганда здорового образа жизни;

знакомство с некоторыми медицинскими приборами, которые используются для диагностики и лечения различных заболеваний;

развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей, коммуникативных качеств;

сознательное самоопределение ученика относительно профиля дальнейшего обучения.

По окончании изучения курса учащиеся должны знать:

Физические законы, которые можно использовать при объяснении процессов, происходящих внутри организма человека;

Особенности своего организма с точки зрения законов физики;

Медицинские аппараты, необходимые человеку для определения самочувствия и оказания самостоятельной помощи собственному организму.

По окончании изучения курса учащиеся должны уметь:

Работать с различными приборами, источниками, самостоятельно искать и приобретать новые знания, анализировать и оценивать новую информацию;

Моделировать явления, отбирать нужные приборы, выполнять и их помощью измерения, работать в соответствии с инструкцией;

Представлять информацию в виде таблиц, графиков, небольших проектов;

Обсуждать результаты деятельности, делать выводы, участвовать в дискуссии;

Ответственно относиться к собственному здоровью и научиться навыкам его укрепления и сохранения.

Учебно-тематическое планирование.

Курс построен с опорой на знания, умения и навыки по физике, полученные учащимися в основной школе, практический опыт с элементами опережающего обучения. Но содержание курса качественно отличается от базового курса физики. На уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Однако очень важно, чтобы у учащихся постепенно складывались убеждения в том, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, а так же внутри организма человека, взаимосвязаны.

Тема

Кол-во

часов

Лекции

Практика

Семинары

Введение

Антропометрия и физика.

Определение параметров тела человека

3-4.

Зрение. Глаз как оптическая система.

Недостатки зрения и их устранение.

6-7.

Рычаги в организме человека.

Простые механизмы в ортопедии.

Равновесие человека.

Давление крови и аппараты для его измерения.

Течение крови и лимфы по сосудам.

Физические основы в кардиологии

13-14

Звуковые волны и слух человека.

Физические основы речи и слуха человека.

Терморегуляция живого организма

Роль влажности и ее регулирование в промышленных и домашних условиях

Работа и мощность человека. Эргометрия

Энергетическая ценность (калорийность) продуктов.

20-21.

Рентгеновские лучи и их применение в медицине.

22-23.

Электрические и магнитные явления и здоровье.

Влияние магнитов на жизнь человека.

Применение магнитов для здоровья человека.

Экскурсия в физиотерапевтический кабинет поликлиники.

27-30.

Здоровый образ жизни.

Электромагнитное поле и здоровье человека.

Сотовая связь и здоровье человека

Персональный компьютер и здоровье человека

Бытовые электроприборы и здоровье человека.

Метод радиоактивных изотопов в диагностике заболеваний

Компьютерный томограф – современное достижение физиков и медиков.

33-34.

Итоговая конференция.

Подведение итогов.

Итого

Программа курса

Введение

Обзорная лекция, иллюстрирующая всю широту спектра физических явлений, о которых можно говорить в связи со здоровьем человека или функционированием организма человека: оптические, механические, тепловые, электрические, магнитные и другие явления.

Оптические параметры человека

Прямолинейное распространение света. Законы отражения и преломления. Линзы. Построение изображения в линзах. Глаз человека как сложная оптическая система. Глаза различных представителей животного мира. Основные дефекты зрения: близорукость, дальнозоркость, астигматизм, дальтонизм. Очки. Как сохранить хорошее зрение: условия освещенности, оптимальное расстояние и угол зрения, правильный режим труда и отдыха.

Демонстрации: оптическая скамья, линзы, зеркала, преломляющая призма.

Практические работы: определение фокусного расстояния и оптической силы линз в различных очках; определение остроты зрения, наблюдение различных типов изображений в линзах.

: оптические параметры человека.

Механические параметры человека

Плотности жидкостей и твердых тканей, из которых состоит человек. Простые механизмы в живых организмах и их назначение. «Золотое правило» механики. Опорно-двигательная система человека и законы механики. Зачем человеку суставы? Строение костей с точки зрения возможности наибольшей деформации. Работа и мощность, развиваемая человеком в различных видах деятельности.

Демонстрации: блоки, ворот, клин, винт, рычаг, наклонная плоскость и другие.

Практические работы: определение мускульной силы кисти руки человека с помощью силомера; вычисление выигрыша в силе в системе «предплечье – плечо»; определение средней плотности кости.

Самостоятельный поиск информации : механические параметры человека

Давление и аппараты для его измерения

Роль атмосферного давления в жизни живых организмов. Как создается давление внутри человека. Атмосферное давление и самочувствие человека. Высокое и низкое давление.

Практическая работа: изучение устройства, принципа действия и правил пользования медицинским тонометром по его инструкции, измерение артериального давления с помощью тонометра и фонендоскопа.

Виртуальная экскурсия: Полет на воздушном шаре.

Самостоятельный поиск информации : как человек переносит различную высоту над уровнем моря?

Терморегуляция живого организма. Течение крови по сосудам.

Процессы диффузии в живой природе. Капиллярные явления. Смачиваемость. Все о коже – лучшем «кровельном материале». Законы движение жидкости по трубам переменного сечения. Уравнение Бернулли. Сложная система кровеносных и лимфатических сосудов в организме человека.

Демонстрации: оптическая скамья, макет трубы переменного сечения.

Практическая работа: определение анализа крови. Проведение практической работы планируется с приглашением медицинского работника, проводящего забор и анализ крови. Измерение кожной температуры полупроводниковым термометром.

Красные кровяные шарики крови человека представляют собой диски диаметром приблизительно 7*10 -6 м и толщиной 10 -6 м. В каждом кубическом миллиметре крови содержится около 5*10 6 таких дисков.

а) если в теле взрослого человека 5 л крови, то, сколько содержится в ней красных кровяных шариков?

б) масса молекулы гемоглобина составляет около 6,8*10 4 а.е.м. Сколько молекул гемоглобина должно содержаться в одном красном кровяном шарике, если плотность гемоглобина 1 кг/м 3 и если мы будем считать, что кровяные шарики состоят полностью из гемоглобина?

2. Как объяснить водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах?

3. Кровь более вязкая, чем вода. При движении по сосудистой системе она испытывает сопротивление, обусловленное внутренним трением. Чем сосуды тоньше, тем больше трение и тем больше падает давление крови. В течение минуты сердце выбрасывает в аорту около 4 л крови. Скорость движения крови в аорте 0,5 м/с, а по капиллярам – 0,5 мм/с. Во сколько раз сила сопротивления при движении крови по аорте больше силы сопротивления крови, движущейся по капиллярам, если коэффициент сопротивления движению крови считать одинаковым для обоих случаев?

4. Продолжить поиск информации о параметрах человеческого организма и заполнение личного физического паспорта.

Звуковые волны и слух человека

Колебания в живой природе. Звук и его характеристики. Свойства звука. Голосовой аппарат человека. Голоса в животном мире. Слуховой аппарат человека. Инфразвуки и ультразвуки. Биоакустика рыб. Влияние звуков различных частот на здоровье человека.

Демонстрации: метрономы, резонаторные ящики, струнные музыкальные инструменты, диапазон механических волн. Воспроизведение записи работы сердца, графическая регистрация звуков сердца (фонокардиография).

Практическая работа: определение предельной чувствительности слухового аппарата человека, определение пульса человека до физической нагрузки и после увеличения нагрузки при помощи фонендоскопа. По возможности организовать посещение медицинского кабинета для проведения фонокардиографии.

1. Задачи типа: барабанная перепонка человека имеет площадь примерно 0,65 см 2 . При громкости звука 20 дБ амплитуда звукового давления равна 20 мН/м 2 – это звуковой фон в очень тихой комнате. Болевой порог для уха наступает при громкости 140 дБ и амплитуде звукового давления 200 Н/м 2 , а механические повреждения барабанной перепонки – при громкости 160 дБ и амплитуде звукового давления 2 кН/м 2 . С какой силой действует в этих случаях звук на барабанную перепонку?

2. Знакомство с частотным диапазоном голосов певцов:

Частотный диапазон, Гц

Мужские: бас

80 - 350

баритон

100 - 400

тенор

130 -500

Женские: контральто

170 - 780

меццо - сопрано

200 - 900

сопрано

250 - 1000

колоратурное сопрано

13000

Домашнее творческое задание: «золотые» голоса России, каков их частотный диапазон?

Электромагнитные излучения и их применение в медицине

Ультрафиолетовое, инфракрасное и рентгеновское излучения. В. Рентген, биографические данные. Открытие Х-лучей. Свойства рентгеновского излучения. Применение в медицине для диагностики и лечения. Почему необходимо регулярно делать флюорографию?

Демонстрации: рентгеновские снимки.

Домашнее задание: по возможности найти различные приборы электрического и магнитного принципа работы («Витафон», «МАГ» и другие) с инструкциями, принести их в школу.

Электрические и магнитные явления и здоровье человека

Электрические свойства тканей организма. Человек в мире электромагнитных полей и импульсов. Биотоки, импульсы мозга. Почему можно оживить с помощью электрического разряда? Применение высокочастотных колебаний с лечебной целью.

Практическое занятие: определение сопротивления кожи человека; изучение устройства, принципа действия и правил пользования приборами из серии «Домашний доктор» по их инструкциям.

Ткань

Удельная электропроводность,

Ом -1 *м -1

Спинномозговая жидкость

Сыворотка крови

Кровь

Мышца

Внутренние органы

(2-3)*10 -1

Мозговая и нервная ткани

0,07

Жировая ткань

0,03

Кожа сухая

10 -9

Экскурсия в физиотерапевтический кабинет поликлиники

Ознакомление с различными видами физиотерапевтической аппаратуры, их назначением, принципами действия, видами заболеваний, при лечении которых они применяются и другое. Техника безопасности при работе с оборудованием.

Домашнее задание: оформление изученной на курсах информации в виде сообщения, плаката, презентации или в любой другой наглядной форме.

Пример информации:

Ученые Объединенного института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН исследовали влияние физических полей различной природы (в основном электромагнитных) на поведенческие реакции живых организмов, в том числе людей. Часто неврастения сопровождается головными болями (мигренями) и потерей сна.Как же снять головные боли?

Ответ.Этого можно достигнуть путем воздействия на мозг импульсами электрического тока через электроды, прикладываемые к коже. Метод позволяет сократить, а иногда и полностью исключить применение химических обезболивающих препаратов, избавить больного от их побочных действий. Например, в аппарате «Скат» импульсы переменного тока попеременно подаются с трех пар электродов, укрепленных на голове больного. Благодаря этому под воздействием оказываются практически все структуры мозга, ответственные за блокаду болевого раздражения. Частота импульсов меняется в интервале 400 – 1500 Гц, а амплитуда силы тока достигает 300 мА.

Человек примерно треть жизни проводит во сне. Полное лишение сна люди переносят гораздо тяжелее, чем голодание, и скоро погибают. В процессе сна клетки мозга восстанавливают свою работоспособность, активно усваивают питательные вещества, накапливают энергию. Сон восстанавливает умственную деятельность, создает чувство свежести, бодрости, вызывает прилив энергии. Поэтому для лечения заболеваний центральной нервной системы используют электросон. Он используется при снижении работоспособности, повышенной утомляемости, головных болях и бессоннице.

Здоровый образ жизни

Здоровое питание. Правильный режим сна и бодрствования. Разумные физические нагрузки. Занятия спортом. Почему полезна баня? Правила личной гигиены. Можно ли бороться с вредными привычками? Какие привычки считать вредными?

Практическая работа: определение параметров здорового человека (пульс, частота дыхания, давление, вес), определение выносливости и тренированности организма после физической нагрузки (10 приседаний), оформление личного физического паспорта.

Домашнее задание: вспомнить самое интересное на ваш взгляд занятие курса, подготовить небольшое (2-3 минутное) сообщение по данной теме; ответить на вопрос – что нового по физике я узнал во время работы данного элективного курса по физике? Нужно ли знать данный предмет хорошему врачу или медсестре? Изменилось ли ваше решение в выборе дальнейшего образовательного пути? Что посоветуете изменить или добавить в программу элективного курса?

Итоговая конференция

Выступления – размышления учащихся по итогам элективного курса. Просмотр индивидуальных проектов, приготовленных учащимися.

Подведение итогов заполнения личного физического паспорта, обсуждение вопросов, касающихся культуры сохранения собственного здоровья.

Список литературы

Алексеева М.Н. Физика - юным. - М.: Просвещение, 1980.

Агаджанян Н.А. Ритм жизни и здоровье. - М.: Знание, 1975.

Бутырский Г.А. Экспериментальные задачи по физике 10-11 класс. - М.: Просвещение, 2000.

Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1987.

Мякишев Г.Я, Буховцев Б.Б. Учебник физики. 10 класс. - М.: Просвещение, 2001.

Перельман Я И. Занимательная физика.- Д.: «ВАП», 1994.

Перышкин А.В. Учебник физики. 7 класс. - М.: Дрофа, 2001.

Перышкин А.В. Учебник физики. 8 класс. - М.: Дрофа, 2001.

Перышкин А.В., Гутник Е.М. Учебник физики. 9класс. - М.: Дрофа, 2001.

К первой группе относятся: вес отдельных частей тела человека, плотность, модуль упругости и модуль сдвига мягких и жестких тканей тела, скорости распространения волн напряжения в тканях и их характеристические импеданцы.[ ...]

Вторую группу производных характеристик составляют: показатели относительного затухания колебаний при их распространении по телу от места возбуждения, частотные характеристики входных механических импе-данцев в зоне контакта тела с вибрирующими поверхностями, переходные механические нмпеданцы для любой точки поверхности тела, частоты собственных колебаний структур тела.[ ...]

Примечание. Вес кисти 0,6 кг, предплечья 1,6 кг, плеча 2,3 кг.[ ...]

В табл. 4 приведены усредненные по данным Н. Н. Хавкина, Coldman (цит. по Harris и Crede, 1961) и Woodson и Conover (1968) веса отдельных частей тела человека в относительных к общему весу и в абсолютных величинах. Последние относятся к средним показателям для мужчин ростом 175 см, и весом 70 кг.[ ...]

В табл. 6 по тем же литературным источникам указаны усредненные изменения жесткости К и диссипативного сопротивления R мягких тканей тела при их смещении под действием статической нагрузки, отнесенной к площади 1 см2.[ ...]

Эти данные были получены Franke (цит. по Harris и Crede, 1961) только на двух исследуемых и характеризовались разбросом показаний. Тем не менее можно видеть, что при нагрузках, вызывающих смещения тканей, не превышающие 5 мм, жесткость К и сопротивление R изменяется практически линейно с изменением нагрузки. При смещениях более 5 мм ткани тела обнаруживают характерную нелинейность их упруго-вязких свойств.[ ...]

Из производных механических характеристик тела человека рассмотрим в первую очередь затухание колебаний при их распространении по телу от места возбуждения. Впервые это ослабление для частоты 50 Гц исследовал в 1939 г. Вёкеву.[ ...]

Для нас исследование затухания колебаний при их распространении по телу человека представляло интерес в несколько ином аспекте, а именно в сопоставлении особенностей затуханий колебаний различных частот при действии вибрации через стопы ног или ладони с целью уточнения понятий «локальных» и «общих» вибраций и для определения величины рецептивной зоны, охваченной колебательным движением.[ ...]

Исследования были нами проведены и на 10 практически здоровых мужчинах (по десять опытов на каждом) в диапазоне частот от 8 до 125 Гц и при действии вибраций на стопы и ладони. Источником колебаний служил механический вибростенд ВУС-70/200. Исследуемый либо становился па платформу стенда, либо, находясь вне ее, нажимал сверху вниз на вибрирующую рукоятку, укрепленную к платформе, осуществляя контроль за заданной силой нажима по стрелочному прибору. Распространение вибраций регистрировалось измерительной аппаратурой фирмы «Брюль и К/ьер» с 30-граммовым датчиком, прижимаемым рукой испытателя к костным выступам в фиксированных точках тела. Замеренные уровни колебательной скорости усреднялись с определением среднеквадратичных отклонений, колебавшихся в пределах ±2-5 дБ.[ ...]

Влияние мышечного напряжения на проводимость вибрации тканями руки мы исследовали измеряя интенсивность вибрации в одинаковых точках- на плече испытуемых - в условиях одинакового уровня колебательной скорости в зоне контакта с вибрирующей поверхностью, но при разных силах нажима на рукоятку.[ ...]

Таблицы к данной главе:

Для практических расчетов и теоретических исследований систем виброзащиты оператора используют динамические модели тела человека в виде аналитических соотношений (например, частотных характеристик) или в виде эквивалентных механических систем (как правило, с несколькими степенями свободы).

При экспериментальных исследованиях и испытаниях систем «человек-машина» в экстремальных условиях применяют специальные имитаторы (антропоморфные манекены), заменяющие человека-испытателя в опасных для него условиях.

Расчетные динамические модели, а также антропоморфные манекены должны быть эквивалентными телу человека по следующим основным показателям: а) геометрическим размерам и формам, б) распределению масс частей тела (в частности, по расположению центров масс частей тела, значениям этих масс и моментов инерции), в) видам соединений отдельных звеньев, г) упругим и демпфирующим свойствам

На рис. 1, а представлена примерная схема конструкции типичного манекена, а на рис. 1,б - усредненные антропометрические данные тела человека.

Усредненные инерционные характеристики отдельных частей (сегментов) тела человека приведены на рис. 2, Значения масс даны в процентах от общей массы человека; значения моментов инерции относительно осей, проходящих через центр масс сегмента, расположение центра масс указано в процентах от длины сегмента.

Положение общего центра масс зависит от позы, принимаемой человеком (рис. 3).

Соединения между отдельными звеньями тела человека (или эквивалентного манекена) представляют собой кинематические пары, обладающие различными степенями подвижности (в ограниченных пределах), Идеализированные схемы соединений Звеньев тела приведены в табл, 1.

(см. скан)

(кликните для просмотра скана)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

Наибольшие значения углов поворота некоторых частей тела, обусловленных подвижностью соответствующих суставов, даны в табл. 2.

Нужные для построения моделей тела человека основные физико-механические параметры , характеризующие упругодемпфирующие свойства тканей человека, триведены в табл, 3 (средние значения).

Рис. 3. Положение центра масс тела сидящего человека

(см. скан)

Зависимости напряжений от относительных деформаций для биологических тканей имеют нелинейный характер; в табл. 4 приведены эти зависимости, полученные для образцов мягких и костных тканей человека .

Характеристики крутильной жесткости элементов скелета человека приведены в табл. 5 в виде крутящего момента приложенного к торцовым сечениям элемента, в зависимости от угла взаимного поворота сечений .