Программа элективного курса по физике
Эксперименты в физике
«Познай самого себя».
Составитель программы: Авакян Людмила Геннадьевна
Пояснительная записка.
Программа рассчитана на 8 часов.
Физика – наука экспериментальная и выполнение практических работ должно занимать значительную часть курса физики.
Человек – часть природы, и его тело подчиняется тем же законам физики. Сократовское «Познай самого себя» нами понимается, в том числе, и как познай своё тело и те физические законы, которым оно подчиняется. Практические работы по изучению своего тела вызывают неподдельный интерес учащихся.
Цели курса:
Создание условий для формирования и развития у обучающихся:
интеллектуальных и практических умений в области физического эксперимента, позволяющего исследовать явления природы, и физические законы, которым подчиняется тело человека;
интереса к изучению физики и проведению физического эксперимента;
умения самостоятельно приобретать и применять знания;
коммуникативных навыков, которые способствуют развитию умений работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения.
В процессе обучения учащиеся приобретают следующие конкретные умения:
наблюдать и изучать явления;
описывать результаты;
вычислять погрешности прямых и косвенных измерений;
делать выводы;
обсуждать результаты эксперимента, участвовать в дискуссии.
Перечисленные умения формируются на основе знаний о:
цикле познания в естественных науках;
роли эксперимента в познании;
правилах пользования измерительными приборами;
происхождении погрешности измерения и ее видах;
правилах записи результата прямых измерений с учетом погрешности;
Содержание программы.
1. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. М.: Просвещение, 1985.-175с.
2. Гоулридзе Г.Ш. Практические и лабораторные работы по физике. 7-11 классы /под редакцией Н.А. Парсрентьевой.- М.: Классике Стиль, 2002. - 96 с.
3. Раева А.Ф. Физический эксперимент в школе. М.: Просвещение, 1973.- 239с.
4. Буров В. А. Практикум по физике. Пособие для учащихся. М.: Просвещение, 1972. – 70 с.
5. Дик Ю. И., Кабардин О. Ф. и др. Физический практикум для классов с углубленным изучением физики. М.: Просвещение, 1993. –208 с.
6. Качинский А. М., Кимбар Б. А. Задания к лабораторным работам практикума по физике. Минск: Народная Асвета, 1976. –189 с.
7.Хуторской А.В., Хуторская Л.Н.- Увлекательная физика: Сборник заданий и опытов для школьников и абитуриентов с ответами. –М.: АРКТИ, 2001
Теоретическая часть
Физические параметры тела человека.
Человеческий организм и его действия так же интересны для физики, как и любые другие окружающие нас, природные явления и предметы. Рассмотрим вопросы, относящиеся к физическим свойствам и особенностям человека. Их можно использовать для объяснения различных жизненных ситуаций, при обсуждении ряда проблем о человеческом организме.
Познай себя, свой организм, свое физическое тело с точки зрения физики!
Ниже приведены необычные сведения: цифры, характеризующие механические, тепловые, электрические, оптические параметры человека. Эти цифры имеют свой язык, умеют говорить о различных характеристиках человеческого организма. Их назначение - помочь лучше усвоить, конкретизировать и расширить знания по физике. Они могут стать помощниками при решении различных практических вопросов и задач, которые могут возникнуть на уроке и дома, могут оказаться полезными при подготовке сообщений или рефератов, вечеров.
Механические параметры человека.
1)Средняя плотность тела человека - 1036 кг/м 3 .
2)Плотность крови - 1050-1064 кг/м 3 .
3) Средняя скорость движения крови в сосудах: в артериях 0,2 - 0,5 м/с; в венах 0,10 - 0,20 м/с; в капиллярах 0,0005-0,0020 м/с.
4) Нормальное избыточное давление в артерии взрослого человека измеряют от условного нуля, за который принимают атмосферное давление. Поэтому давление крови, например, в 9,3 кПа (70 мм рт.ст.) означает, что оно на = 9,3 кПа (на 70 мм рт.ст.) превышает атмосферное давление.
Нормальное нижнее давление (т.е. в начальной фазе сокращения сердца) = 9,3 КПа (70 мм рт.ст.). Нормальное верхнее давление (т.е. в конечной фазе сокращения сердца) 16,0 кПа (120 мм рт.ст.).
5) Сила, развиваемая работающим сердцем:
в начальной фазе сокращения » 90 Н;
в конечной фазе сокращения » 70 Н.
6) Масса крови, выбрасываемая сердцем в 1 мин, равна приблизительно 3,6 кг. За одно сокращение сердце выбрасывает примерно 60 см 3 крови, за 1 мин - 3,6л (при 60 сокращениях в минуту), за 1 час - 216 л, а за сутки >> 5200 л крови. Во время напряженной работы организма (например, при беге на лыжах) сердце человека за 1 мин «перекачивает» до 25-35 л крови (при 165-196 сокращениях в мин). Для сравнения: расход воды полностью открытого водопроводного крана за 1 мин составляет примерно 20 л.
Работа сердца при одном сокращении » 1 Дж.
Мощность, развиваемая взрослым человеком:
при обычной ходьбе по ровной дороге при слабом ветре 60-65 Вт;
при быстрой ходьбе (7 км/ч) по ровной дороге при слабом ветре - 200 Вт;
при езде на велосипеде со скорость 10 км/ч в безветренную погоду - 40 Вт;
при езде на велосипеде со скоростью 20 км/ч безветренную погоду - 320 Вт.
Звуковые параметры человека
тихий шепот ≈ 10 -9 Вт;
речь обычной громкости ≈ 7 * 10 -6 Вт;
предельная громкость ≈2 * 10 -3 Вт;
Частоты, к которым ухо имеет наибольшую чувствительность, - 1500 - 4000Гц;
Частотный диапазон при обычном разговоре:
у мужчин - 85-200 Гц;
у женщин - 160-340 Гц;
бас - 80-350 Гц;
баритон - 110-400 Гц;
тенор - 130-520 Гц;
сопрано - 260-1050 Гц;
колоратурное сопрано - 330-1400 Гц.
бас ≈2,5 см;
тенор ≈ 1,7-2 см;
сопрано ≈1,5 см.
Скорость звука в тканях тела - 1590-1600 м/с.
Рекордная высота звука женского голоса (при пении) - 2,35 кГц.
8) Диапазон интенсивности звуков, воспринимаемых ухом человека, необычайно велик: наиболее сильные звуки, воспринимаемые ухом (при пороге болевого ощущения)
10-100 Вт/м 2 , отличаются в 10 13 -10 14 раз от наиболее слабых, еще воспринимаемых звуков (при пороге слышимости ≈ 10 -12 Вт/м 2).
Тепловые параметры человека
Нормальная температура тела - 36,7°С.
Температура отдельных участков тела:
лба - 33,4°С;
ладони рук - 32,8°С;
подошвы ног - 30,2 0 С.
Температура замерзания (плавления) крови - от -0,56°С до -0,58 0 С.
Удельная теплоемкость крови:
3,9 кДж/(кгкК);
0,93 кал/(гк°С).
Масса воды, испаряющейся с поверхности кожи и легких в сутки, - 0,8-2,0 кг.
Наиболее благоприятная для жизни человека относительная влажность - 40-60%.
Поверхностное натяжение крови - 60 мН/м.
Электрические параметры человека
1)Удельное сопротивление тканей тела:
мышцы - 1,5 Омкм;
крови - 1,8 Омкм;
верхний слой кожи (сухой) - 3,3к10 5 Омкм;
кость (без надкостницы) - 2к10 6 Омкм.
2).Диэлектрическая проницаемость:
кровь - 85,5;
кожа сухая - 40-50;
кость - 6-10.
3) Электрическое сопротивление человеческого тела определяется, в основном, сопротивлением поверхностного слоя кожи (эпидермиса).
Сопротивление тела человека от конца одной руки до конца другой при сухой неповрежденной коже рук = 15 кОм.
Сила тока через тело человека, считающаяся безопасной, - до 1 мА.
Сила тока через тело человека, приводящая к серьезным поражениям организма,
≈100 мА.
Безопасное электрическое напряжение в сыром помещении -12 В.
Безопасное электрическое напряжение в сухом помещении -36 В.
Оптические параметры человека
Длительность сохранения глазом возникшего зрительного ощущения - 0,14 с.
Диаметр глазного яблока взрослого человека - 24-25 мм.
Расстояние между зрачками глаз («база глаз») у взрослого человека - 55-72 мм.
Толщина склеры - 0,4-1,0 мм.
Толщина сосудистой оболочки - до 0,35 мм.
Толщина сетчатки - 0,1-0,4 мм.
Диаметр хрусталика - 8-10 мм.
Наибольшая толщина хрусталика - 3,7-4,0 мм.
Показатель преломления хрусталика ≈1,4.
Фокусное расстояние хрусталика ≈70 мм.
Оптическая сила хрусталика у молодых людей - от 19 до ≈ 33 Дптр.
Показатель преломления водянистой и студенистой влаги -1,34.
Давление прозрачной жидкости, заполняющей глаз, - внутриглазное давление ≈104 кПа (= 780 мм рт. ст.).
Диаметр зрачка:
при больших дневных освещенностях - 2-3 мм;
при малых освещенностях (0,01 лк) - 6-8 мм.
Размеры слепого пятна (овальная форма) - 1,5к2,0.
Число палочек в сетчатке глаза ≈130 млн.
Число колбочек в сетчатке глаза ≈ 7 млн.
Длина волны света, к которой глаз наиболее чувствителен, - 555 нм (желто-зеленые лучи).
Оптическая сила всего глаза ≈ 60 Дптр.
Поле зрения неподвижного глаза:
по горизонтали - около 160°;
по вертикали - около 130°.
Минимальный размер изображения предмета на сетчатке, при котором две точки предмета воспринимаются раздельно, - 0,002мм.
Собственные размеры
Полезно знать величины своего роста и шага. Чтобы проще всего измерить, например, пройденное расстояние, надо сосчитать количество шагов, но для этого необходимо знать величину своего шага.
Величину шага определяют так: отмерив на земле прямую линию, скажем в 30 м, проходят ее своим нормальным шагом, считая шаги. Разделив 30 на полученное число шагов, узнают среднюю длину одного шага. Положим, что на длине в 30 м уместилось 50 шагов. Разделив 30 на 50, получим:
30: 50 =0,6 м = 60 см.
Это и есть ширина среднего шага. Для перевода измеренного шагами расстояния в метры необходимо количество шагов умножить на выраженную в метрах ширину одного шага. Например, от дома до магазина 630 шагов. Длина шага - 0,6 м. Расстояние в метрах равно 630 0,6 = 378 м.
Размах рук человека обычно бывает, равен его росту. Чаще всего эти величины совпадают, но возможны, конечно, и отклонения. Поэтому соответствие своего размаха рук росту также, полезно проверить измерением.
Для приблизительного замера мелких величин полезно запомнить длину среднего сустава своего указательного пальца (рис. 1), величину своей «четверти» - расстояния между концами большого пальца и мизинца растопыренной пятерни (рис. 2). Конечно, все эти способы очень неточны, но для быстрого примерного измерения в жизненных ситуациях вполне пригодны.
Начертите отрезок, равный 0,0001 км, и рядом отрезок, равный 0,1 вашего обыкновенного шага. Сколько приблизительно шагов вам надо сделать, чтобы пройти 1 км?
Рис. 1
Рис.2
Качественные задачи по теме: «Физика человека»
1.На диване .
Почему на диване человеку лежать мягче, чем на доске?
2. Мощность человека.
а)Какова мощность человека массой 75 кг при нормальной скорости ходьбы 5 км/ч; при скорости марша 7 км/ч?
Б)Какова мощность, затрачиваемая при езде на велосипеде (при скоростях 9 км/ч и
18 км/ч)?
в) Какая мощность развивается человеком массой в 75 кг, взбежавшим за 2 секунды по лестнице на высоту 4 м?
3. Как повернуться на стуле-вертушке?
Сядьте на стул-вертушку так, чтобы ноги не касались пола. Вам надо повернуться на нем вокруг на 360°. Как вы это сделаете? Ответ поясните.
4. Испарение воды в организме человека .
Организм человека состоит на 65% из воды. Испаряется ли она? Как? От чего зависит процесс испарения? На что влияет?
5. Человек на дне воздушного океана.
Человек живет на дне воздушного океана. Почему обычно человек не ощущает атмосферного давления?
6. Как человек дышит?
Каково значение атмосферного давления в механизме легочного дыхания человека? Что происходит при вдохе - выдохе воздуха?
7. О черном, белом и сером цветах.
а) Чем отличаются между собой белый, черный и серый цвета?
б) Как познает человек эти цвета?
Проделайте следующий опыт со своими друзьями и сделайте вывод. В хорошо затемненной комнате на небольшой белый экран спроецируйте круглое пятно от карманного фонаря. Фонарь потушите, незаметно для зрителей. Вместо белого экрана поставьте черный и спроецируйте на него то же самое пятно, увеличив в несколько раз силу света фонаря. Зритель не заметит подмены экрана, и будет думать, что видит прежнее пятно на прежнем экране. Когда же свет в комнате зажигается, зритель намечает свою ошибку и пятно на экране представляется ему уже не белым, а только светлым.
Почему?
8. Заземление.
Электрическое соединение какого-либо предмета с землей называют его заземлением. Заряды, образованные на телах, изолированы от земли, при соединении с ней уходят в землю, так как благодаря своим большим, по сравнению с любым телом, размерам Земля обладает и значительно большей емкостью. Можно ли говорить о заземлении человека?
9. Биополе человека.
В теле человека существуют биотоки и биопотенциалы. Что это такое? Можно ли их обнаружить?
10. Относительная или абсолютная влажность воздуха?
Что важнее для человека: относительная или абсолютная влажность?
11. Опасный электрический ток.
Все знают, как бывает, опасен для человека электрический ток. Для него смертелен ток силою уже в 0,1 А. Ток в комнатной проводке в несколько раз сильнее 0,1 А.
Почему же он далеко не всегда поражает человека?
12.Присесть - встать.
Коля делал утреннюю зарядку. Рядом стояли напольные весы. Он решил выполнить приседания, встав на весы. К его удивлению, в момент приседания весы показали меньший вес, нежели тогда, когда он стоял на них спокойно. Коля быстро поднялся. Весы, наоборот, показали увеличение его веса. Коля повторил эти движения еще несколько раз. Все повторилось.
Почему?
Ответы:
1 . Площадь соприкосновения тела с диваном больше, чем с доской.
2
. а) Около 60 Вт, или
лошадиной силы. С возрастанием скорости мощность быстро возрастает - 200 Вт.
б) При езде на велосипеде положение центра тяжести тела меняется гораздо меньше, чем при ходьбе, и ускорение ног тоже меньше. Поэтому мощность, затрачиваемая при езде на велосипеде, значительно меньше: 30 Вт; 120 Вт.
в) 2 лошадиные силы.
3. Надо воспользоваться движением рук. Повернув вытянутые руки на некоторый угол в горизонтальной плоскости, сам человек поворачивается в противоположном направлении. Когда руки останавливаются, человек также останавливается. Для того, чтобы повернуться еще раз в том же направлении, надо возвратить руки в исходное положение. Сделать это, двигая руки в обратном направлении, нельзя, так как и человек при этом вернется в исходное положение. Можно, однако, поднять руки в вертикальной плоскости, а затем опустить в другой вертикальной плоскости так, чтобы они оказались по отношению к человеку, сидящему на стуле, в первоначальном положении. Человек может неопределенное число раз повернуться вокруг вертикальной оси.
4. За сутки человек, в зависимости от рода работ, испаряет с поверхности кожи и легких от 800 до 2000 г и больше воды. Скорость процессов испарения, а вместе с тем и самочувствие человека существенно зависят от влажности окружающего воздуха. Длительное пребывание в жарком воздухе, обильно насыщенном водяными парами, затрудняет процессы испарения и вместе с тем нарушает нормальный тепловой обмен в организме. Человек чувствует вялость, и его трудоспособность понижается.
5. Большая часть органов и тканей в организме содержит жидкости и газы под давлением, приблизительно равным атмосферному. Исключение в этом отношении составляют межплевральное пространство грудной клетки, сердечнососудистая система, полости, заполненные спинномозговой жидкостью, а так же полости суставов. Сообщение этих полостей с наружным воздухом нарушает нормальную деятельность организма.
6. При вдохе за счет сокращения соответствующих мышц (межреберных и диафрагмы) происходит объемное расширение грудной клетки. При этом давление воздуха, находящегося в легких, становится ниже атмосферного, и под действием последнего определенный объем наружного воздуха входит (засасывается) в легкие. Затем мышцы расслабляются, объем грудной клетки уменьшается, давление воздуха в легких становится выше атмосферного, и часть находящегося в легких воздуха вытесняется наружу. Происходит вдох. Грудная клетка может расширяться одновременно в трех взаимно-перпендикулярных направлениях: вертикальном, поперечном и переднезаднем.
7. а) Поверхности очень многих тел рассеивают в одинаковой мере лучи всех областей видимого спектра. Те из них, которые рассеивают большую долю падающего на них света, называют белыми. Белая бумага или мел рассеивают до 90% падающей на них энергии. Те поверхности, которые рассеивают лучи весьма слабо, называют черными. Черная фотографическая бумага рассеивает всего около 5% падающего на нее света. Поверхности, обладающие промежуточными степенями рассеивания, представляются нам серыми. Таким образом, различие между белым, серым и черным цветом не качественное, а только количественное, б) Познаются цвета только в сравнении с окружающим освещенным фоном.
8 Тело человека в целом является проводником, поэтому человек, стоящий на земле, будет проводить в нее электрические заряды, с которыми он может прийти в соприкосновение. Контакт человека с землей в этих условиях тоже называют заземлением. Если через человека будут проходить значительные электрические заряды (или значительный электрический ток), это может иметь опасные последствия для его здоровья.
9 . Возбуждение любого органа человеческого тела сопровождается появлением токов действия. Возбужденное место органа всегда электроотрицательно по отношению к местам, находящимся в покое. Между возбужденным и невозбужденным участком возникает определенная разность потенциалов, и текут токи. Эти разности потенциалов невелики, а сопротивление тканей тела велико. Поэтому биотоки очень слабы - порядка 10 -6 А и меньше. Их обнаружение возможно с помощью чувствительных гальванометров. Биопотенциалы возникают в клетках, тканях, органах вследствие неравномерного распределения ионов K + ,Na + , С ++ , Mg ++ , а также CL - - в протоплазме клеток и окружающей клетку жидкости. Это связано с происходящими в живых клетках процессами обмена веществ. Биопотенциалы отражают функциональное состояние органов и тканей в норме и патологии, что используют при диагностике заболеваний. Распространены методы регистрации потенциалов сердца - электрокардиография, головного мозга - электроэнцефалография, периферических нервных стволов и мышц - электромиография.
10 . В разных случаях может иметь значение и абсолютная, и относительная влажность. Например, испарение воды с поверхности кожи зависит от относительной влажности, так чем больше разница между абсолютной и максимальной влажностью (количеством пара в г, насыщающего 1 м 3 воздуха при данной температуре), тем быстрее идет испарение. Рассматривая же испарение воды легкими, следует учитывать абсолютную влажность воздуха, так как из легких выдыхается воздух, почти полностью насыщенный паром, при температуре примерно 30°С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких, очевидно, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха. Нормальной для жизни человека считается атмосфера с относительной влажностью от 40 до 60%.
11. Сила тока в осветительной сети достигает 0,5 А, но только до тех пор, пока в цепь не включилось человеческое тело. Включение последнего значительно понижает силу тока, так как сопротивление нашего тела весьма велико: оно колеблется от 100 до нескольких десятков тысяч Ом. Введение в цепь столь значительного сопротивления, естественно, понижает силу тока в ней, и ток становится почти безвредным для организма. Порой и 5000 В не причиняют человеку никакого вреда - так велико бывает иногда сопротивление человеческого тела. Но оно колеблется в зависимости от многих причин, предусмотреть которые невозможно: от влажности, размеров тела, даже нашего настроения, поэтому безвредное, сегодня напряжение электросети может оказаться смертельным завтра.
12. Тело Коли испытывало частично явление невесомости (при быстром приседании) и перегрузки (при быстром поднятии тело сильнее давит на опору).
ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ
ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
Измерить физическую величину - это, значит, сравнить ее с помощью измерительных приборов с однородной величиной, принятой за единицу, и оценить степень ее приближения к истинному значению.
В настоящее время общепринятой является Международная система (СИ), которая строится на семи основных единицах:
длины - метр (м);
массы - килограмм (кг);
времени - секунда (с);
электрического тока - ампер (А);
температуры - кельвин (К);
силы света - кандела (кд);
количества вещества - моль.
Для обеспечения единства физических измерений созданы международные эталоны каждой из основных единиц СИ.
Если используют величины, кратные основным единицам, пользуются соответствующими приставками, взятыми из древнегреческого языка; если используются величины, дольные основным единицам, пользуются соответствующими приставками, взятыми из латинского языка.
Измерения подразделяют на прямые и косвенные. Прямым называется измерение, в котором результат находится при считывании со шкалы прибора. Косвенным называется измерение, в котором результат находится на основе расчетов.
Истинное значение измеряемой величины определить невозможно по многим причинам и, прежде всего, потому, что ограничено воспроизведение эталона. Величина А считается измеренной, если указана не только сама величина А изм , но и граница ее абсолютной погрешности ∆А
А = А изм , ± ∆А
Качество измерений определяется относительной погрешностью ε:
ε = *100%.
Погрешность прямого измерения ∆А складывается из погрешности средства измерения ∆А приб и погрешности отсчета ∆А отсч:
∆А = ∆А приб + ∆А отсч
Погрешность отсчета равна, а точнее не больше половины цены деления шкалы:
∆ А приб =
где а - цена деления шкалы.
При проведении повторных измерений физической величины получаются несколько отличные друг от друга результаты. В этом случае за результат измерений необходимо принять среднее арифметическое значение результатов отдельных измерений:
Экспериментальная часть
Лабораторная работа №1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА И ПЛОТНОСТИ СВОЕГО ТЕЛА.
Цель работы: научиться определять плотность и объём своего тела.
Ход работы:
1. Измерьте среднюю длину ℓ (м) и ширину b (м) ванны в вашей квартире.
2. Налейте в ванну теплой воды и отметьте карандашом ее уровень.
3. Погрузитесь в воду и отметьте ее новый уровень. Измерьте высоту подъема
воды ∆ h (м).
4. Найдите объем вытесненной воды, а следовательно, и объем тела V т (без учета
объема головы): V т =ℓ * b * ∆ h .
Форма ванны может заметно отличаться от параллелепипеда, поэтому объем вытесненной воды более точно можно узнать экспериментально, доливая воду ведром (бутылкой из-под газированной воды или другой емкостью известного объема) до сделанной вами отметки.
5. Для того чтобы учесть и объем головы, измерьте диаметр головы d (м) и, считая ее шаром, рассчитайте объем:
V г = π d 3
6. Рассчитайте общий объём своего тела (м 3): V общ = V т + V г
7. Измерьте массу своего тела m(кг) с помощью весов.
8. Найдите плотность ρ(кг/м 3) своего тела: =
Дополнительное задание:
Сравните плотность своего тела с плотностью воды и ответьте на вопросы:
Почему человек может удерживаться на поверхности, не двигаясь?
Почему легче плавать в морской воде?
Лабораторная работа №2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ ШАГА.
Цель работы: научиться определять среднюю длину своего шага.
Лабораторная работа №3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ ДАВЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА СВОЕ ТЕЛО
Цель работы: Научиться определять силу атмосферного давления на своё тело.
Оборудование: барометр, весы напольные, ростомер.
F атм = р атм * S .
Заполните таблицу:
р атм,Па
Лабораторная работа №4
«Определение силы рук при выполнении упражнения на перекладине».
На некоторое время повисните на перекладине в спортивном зале на одной руке, почувствуйте напряжение мышц руки.
На весах измерьте массу своего тела т и рассчитайте силу тяжести F T (H), действующую на него.
Для определения объема своего тела V общ воспользуйтесь результатом уже выполненной работы.
Найдите выталкивающую силу F a (H), действующую на ваше тело со стороны воздуха:
где ρ = 1,3 кг/м 3 - плотность воздуха и покажите, что выталкивающая сила воздуха чуть больше 0,1% действующей на вас силы тяжести, и поэтому F A , как правило, ею пренебрегают.
5. Найдите силу F p с которой ваша рука действует на перекладину:
F p =F т -F а F т
Заполните таблицу:
т, кг
Лабораторная работа №5
«Измерение мощности, развиваемой при подъёме по лестнице».
Оборудование : грузик на шнуре, секундомер, напольные весы, рулетка.
Опустив в лестничный пролёт грузик на прочном шнуре, сделайте на нём отметку, когда грузик достигнет пола первого этажа. Измерьте высоту лестницы h(м).
По секундомеру определите время t (с), затраченное вами на подъём по лестнице.
Измерьте массу своего тела m (кг).
Вычислите мощность N (Вт), развиваемую при подъёме:
Заполните таблицу:
h(м)Защита и обсуждение результатов исследования.
Учащиеся должны представить результаты исследований физических параметров своего тела. Провести анализ результатов. Подготовить по одной из лабораторных работ защиту теоретической части работы.
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 .
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.
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.
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: