Исследовательский проект 2013г. Паспорт педагогического проекта

I Кровяное давление, его роль в движении крови по сосудам.

Кровяное давление создается сердечными сокращениями и сопротивлением стенок сосудов. Способ определения кровяного давления был предложен российским врачом Н. С. Коротковым в 1905 году во время русско-японской войны. Сейчас этот способ носит его имя. Манжетку надевают на плечо, с помощью груши накачивают воздух. Фонендоскоп прикладывают к месту локтевого сгиба, там, где проходит плечевая артерия.

Давление в манжетке выше кровяного давления в артерии. Звуков не слышно. Открываем винт груши и слышим удары. Первый – это максимальное (верхнее) давление, которое вызвано сокращением желудочков сердца. Последний – минимальное (нижнее) давление, при расслаблении желудочков.

16-15 лет Р = 110 - 126 мм.рт.ст.

60 лет Р = 135 - 140 мм.рт.ст. 

Отклонение от нормы вызывает заболевание : гипотонию (пониженное давление), гипертонию (повышенное давление).

Кровяное давление зависит не только от работы сердца, но и от количества крови в организме. Замечено, что чем дальше сосуд находится от сердца, тем ниже в нем кровяное давление.

Сердце – насос.


Наше сердце – это насос, устройство которого можно сравнить с работой поршневого жидкостного насоса.

Насос состоит из цилиндра, внутри которого ходит вверх и вниз плотно прилегающий к стенкам поршень 1. В нижней части цилиндра и в самом поршне установлены клапаны 2, открывающиеся только вверх. При движении поршня вверх вода под действием атмосферного давления входит в трубу, поднимает нижний клапан и движется за поршнем.

При движении поршня вниз вода, находящаяся под поршнем, давит на нижний клапан, он закрывается. Одновременно под давлением воды открывается клапан внутри поршня, и вода переходит в пространство над поршнем. При последующем движении поршня вверх вместе с ним поднимается и находящаяся над ним вода, которая и выливается в отводящую трубу. Одновременно за поршнем поднимается новая порция воды, которая при последующем опускании поршня окажется над ним и т.д. 

Силы, действующие на кровь при ее движении, - сила давления и сила сопротивления (трения)

Сила терния – сила, возникающая при соприкосновении поверхностей двух тел и препятствующая их перемещению относительно друг друга. Одной из причин возникновения силы трения является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Другая причина – взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.

Таким образом, при движении крови по сосудам возникает сила трения, которая препятствует перемещению крови, в результате скорость ее течения становится меньше. На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому каждый слой крови в сосудах своим весом создает давление на другие слои. Это давление по закону Паскаля передается по всем направлениям одинаково. Следовательно, на кровь при ее движении действуют силы давления и трения. Какова же роль самих сосудов? Сосуды образуют пульсовые волны.


Пульсовые волны.
Сердце – это насос, который работает в импульсивном режиме. Длительность импульса 0,25 с, за это время сердце взрослого человека выталкивает из себя в аорту около 0,1 л крови. Движение крови по сосудам – процесс довольно сложный. Стенка артерий и аорты обладает высокой эластичностью. Поэтому, когда кровь поступает в аорту, ее стенки начинают расширяться до тех пор, пока приток крови не остановится. Стенки аорты пытаются под действием силы упругости вдавить кровь в отдаленные от сердца сосуды, чтобы принять свою первоначальную форму, т.к. обратному току препятствует клапан сердца. И так повторяется до бесконечности.

Таким образом, после каждого сокращения сердца вдоль артерии от сердца идет волна деформации, подобно тому, как идут волны от удара камня о воду. Эти удары волн мы ощущаем, приложив палец у основания большого пальца на запястье - ЭТО ПУЛЬС ! 

Пульс (от лат. pulsus — удар, толчок) – это колебания стенок сосудов, вызванные изменением давления крови в результате работы сердца. Измеряют пульс за 1 минуту. Нормы звука пульса известны:

Новорожденные от 0 до 3 мес.	Младенцы от 3 до 6мес.	Младенцы от 6 до 12 мес.	Дети от 1 года до 10 лет.	Дети старше 10 лет и взрослые, включая пожилых.	Хорошо тренированные взрослые спортсмены.
100-150	90–120	80-120	70–130	60–100	40–60

Сердце, как любая мышца, может увеличить размер под воздействием тренировок и растёт в детстве. Поэтому в состоянии покоя у "аэробных" спортсменов (марафонцев, лыжников, велосипедистов, пловцов) для прокачки того же объёма крови требуется меньше сердечных сокращений, чем сердцу нетренированного человека. Также у детей - сердце меньше и минимальный пульс выше. Частота пульса может быть использована для контроля здоровья сердца и уровня физической подготовки вообще. Обычно, чем пульс ниже, - тем лучше, но в случае брадикардии это может быть опасно. Тревожными симптомами при низком пульсе являются слабость и обмороки. Пульс – является основным показателем здоровья.

Итак, пульс – это колебания стенок сосудов. Колебаниями называются физические процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые интервалы времени.

Процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени называется волной. Источником пульсовых волн является сердце. ЭКГ сердца – это и есть графическое изображение пульсовой волны с течением времени. Пульсовая волна – это поперечная волна – волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения.

Т.к. волны – это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени, то они распространяются с какой- то скоростью.

Скорость распространения волны деформации кровеносного сосуда может значительно отличаться от скорости распространения волны сжатия в крови. Последняя, очевидно, равна скорости распространения звука и составляет несколько сотен метров в секунду, тогда как волны деформации проходят за секунду несколько метров.

Измерить скорость распространения пульсовой волны удалось лишь в начале ХХ в., когда появились первые безынерционные регистрирующие приборы. Эта скорость, как правило, равна 3 – 15 м/с, что в десятки раз превышает среднюю скорость движения крови по сосудам.

Оказалось, что скорость распространения пульсовой волны зависит от упругости артериальной стенки, поэтому может служить показателем ее состояния при различных заболеваниях.

Впервые формула для скорости распространения пульсовых волн в артериях была выведена знаменитым английским ученым Томасом Юнгом в 1809 г. Всю жизнь он совмещал две профессии – практикующего врача и физика.

Выражение для скорости распространения пульсовой волны:

υ² = Е h / (ρ d), где υ - скорость, Е - модуль Юнга, h – толщина стенки, ρ – плотность, d - внешний диаметр артерии. Скорость пульсовой волны зависит от упругости стенки артерии, ее модуля Юнга. C возрастом, а также при заболеваниях, сопровождающихся потерей упругости стенки артерий (гипертонии, атеросклерозе), υ может увеличиваться в 2-3 раза по сравнению с нормой. Это позволяет использовать измерение скорости распространения пульсовой волны для постановки диагноза.

С точки зрения биологии можно еще обратить внимание на нарушение данного явления, которое ведет к неминуемой смерти человека. Это аневризмы. Пульсовые волны повторяются около 100 тыс. раз за сутки и около 2,5 млрд. в течении жизни. Подобную нагрузку стенки сосудов способны выдержать. Но иногда стенка начинает расширяться, образуя аневризму – расширение, оно прогрессирует и со временем не выдержав сосуд лопается, что приводит к смерти. Обычно это бывает в зрелом возрасте. Кардиограмма позволяет раньше установить наличие аневризм и провести шунтирование.

Аневризма – заболевание, объясняемое физическим законом – законом Лапласа. Рост аневризмы – это проявление закона Лапласа (французского астронома и математика, открывшего зависимость между напряжением Т, растягивающим стенку кровеносного сосуда – отношение силы к площади продольного сечения стенки сосуда, - его радиусом R, давлением внутри сосуда р и толщиной его стенки h): Т= р R / h.

Из закона Лапласа следует, что при увеличении р должно увеличиваться и Т , что приводит к растяжению стенки сосуда и увеличению его радиуса R.

Но т.к. объем стенки аорты можно считать постоянным, то увеличение ее радиуса должно сопровождаться утончением стенки, что в свою очередь ведет к разрыву аневризмы. Таким образом, причиной возникновения аневризмы является не только возросшая амплитуда артериального давления, но и изменение механических свойств артериальной стенки.

Скорость кровотока. Изменение скорости кровотока в зависимости от размеров сечения сосудов.

Кровообращение у человека и животных – это движение крови по «трубам» - кровеносным сосудам. Движение крови по сосудам напоминает движение воды по водопроводу. Согласно закону Паскаля, неподвижная жидкость в сосуде передает внешнее давление одинаково во всех направлениях. Но когда жидкость течет по трубе (кровь по сосудам), без учета трения жидкости о трубу, площадь поперечного сечения которой на разных ее участках различна, то давление оказывается неодинаковым вдоль трубы (сосуда). 

1. Физическое выражение зависимости скорости течения от площади поперечного сечения сосуда.


В движущейся части давление (р) зависит от площади сечения (S), а следовательно, и от скорости жидкости (крови) (υ ). Т.к. жидкость (кровь) практически несжимаема, то количество жидкости, проходящее за время t через поперечное сечение S₁, равно количеству жидкости (крови), проходящей за это же время через сечение S₂. Если бы протекало разное количество жидкости (крови), то избыток жидкости (крови) должен накапливаться где-то; но жидкость заполняет всю трубу (сосуд) и накапливаться ей негде. Значит, V₁=V₂ (объемы вытесненной жидкости /крови/ за время t). Раскроем объемы и получим: S₁ ι₁ = S₂ ι_{2 .} Но ι₁ = υ₁ t, ι₂ = υ₂t. Получаем S₁ υ₁ t = S₂ υ₂ t, S₁ υ₁= S₂υ_2. 

Данное уравнение называется уравнением неразрывности. Из него следует: при стационарном течении жидкости скорости движения ее частиц через разные поперечные сечения трубы обратно пропорциональны площадям этих сечений. Т.е. при прохождении узких частей трубы (сосуда) скоростьжидкости (крови) больше и наоборот. 

2. 
   Закон Бернулли применительно к кровообращению. 
   

Несоответствие между скоростью течения крови и ее давлением.

Значит, при проходе жидкости из трубы с большим сечением (S₁ ) в трубу (сосуд) с меньшим сечением (S₂), скорость ее увеличивается, следовательно, жидкость движется с ускорением. А причиной ускорения является сила. Этой силой, в данном случае, является разность между силами давления жидкости (крови) в широком и узком сечениях. F_давл.= p S , ∆F_давл = S (р₁ – р₂)
Следовательно, при стационарном течении жидкости в тех местах, где скорость течения меньше, давление в жидкости больше и, наоборот, там, где скорость течения больше, давление в жидкости меньше.К этому выводу впервые пришел Бернулли, поэтому данный закон называется законом Бернулли.

Кровеносные капилляры

Кровеносные капилляры - это самые тонкостенные сосуды, по которым движется кровь. Они имеются во всех органах и тканях. Кровеносные капилляры обеспечивают ткани организма кислородом и питательными веществами, забирают из тканей продукты жизнедеятельности тканей и углекислый газ. Кроме того практически во всех органах и тканях капилляры служат «мостиком» между артериальной и венозной системами. По данным микроскопических исследований капилляры имеют вид узких трубок, стенки которых пронизаны субмикроскопическими «порами». Капилляры бывают прямыми, изогнутыми и закрученными в клубочек. Средняя длина капилляра достигает 750 мкм, а площадь поперечного сечения - 30 мкм² Диаметр

просвета капилляра соответствует размеру эритроцита (в среднем). Стенки капилляров проницаемы для продуктов обмена организма (вода, молекулы). По ходу капилляров расположены чувствительные нервные окончания, посылающие в соответствующие центры нервной системы сигналы о состоянии обменных процессов. Капилляры – та часть системы кровообращения, ради которой эта система существует.
Гидравлическое сопротивление всей системы капилляров невелико: если на входе в капилляры давление крови 20-40 мм рт.ст.,то на выходе – 8-15 мм рт. ст., и это несмотря на впечатляющую суммарную их протяженность. Объяснение тому – очень малая скорость движения крови в этих сосудах: порядка 0,5 мм/с.

1.4 Строение глаза

Путеводитель по составным частям человеческого глаза и их функциям

Человеческий глаз представляет из себя сложную систему, главной целью которой является наиболее точное восприятие, первоначальная обработка и передача информации, содержащейся в электромагнитном излучении видимого света. Все отдельные части глаза, а также клетки, их составляющие, служат максимально полному выполнению этой цели.

Ниже представлены графические изображения, дающие представление о внешнем виде глаза и внутреннем его устройстве.

Глаз - это сложная оптическая система. Световые лучи попадают от окружающих предметов в глаз через роговицу. Роговица в оптическом смысле - это сильная собирающая линза, которая фокусирует расходящиеся в разные стороны световые лучи. Причем оптическая сила роговицы в норме не меняется и дает всегда постоянную степень преломления. Склера является непрозрачной наружной оболочкой глаза, соответственно, она не принимает участия в проведении света внутрь глаза.



Преломившись на передней и задней поверхности роговицы, световые лучи проходят беспрепятственно через прозрачную жидкость, заполняющую переднюю камеру, вплоть до радужки. Зрачок, круглое отверстие в радужке, позволяет центрально расположенным лучам продолжить свое путешествие внутрь глаза. Более периферийно оказавшиеся лучи задерживаются пигментным слоем радужной оболочки. Таким образом, зрачок не только регулирует величину светового потока на сетчатку, что важно для приспособления к разным уровням освещенности, но и отсеивает боковые, случайные, вызывающие искажения лучи. Далее свет преломляется хрусталиком. Хрусталик тоже линза, как и роговица. Его принципиальное отличие в том, что у людей до 40 лет хрусталик способен менять свою оптическую силу - феномен, называемый аккомодацией. Таким образом, хрусталик производит более точную дофокусировку. За хрусталиком расположено стекловидное тело, которое распростаняется вплоть до сетчатки и заполняет собой большой объем глазного яблока.

Лучи света, сфокусированные оптической системой глаза, попадают в конечном итоге на сетчатку. Сетчатка служит своего рода шарообразным экраном, на который проецируется окружающий мир. Из школьного курса физики мы знаем, что собирательная линза дает перевернутое изображение предмета. Роговица и хрусталик - это две собирательные линзы, и изображение, проецируемое на сетчатку, также перевернутое. Другими словами, небо проецируется на нижнюю половину сетчатки, море - на верхнюю, а корабль, на который мы смотрим, отображается на макуле. Макула, центральная часть сетчатки, отвечает за высокую остроту зрения. Другие части сетчатки не позволят нам ни читать, ни наслаждаться работой на компьютере. Только в макуле созданы все условия для восприятия мелких деталей предметов. В сетчатке оптическая информация воспринимается светочувствительными нервными клетками, кодируется в последовательность электрических импульсов и передается по зрительному нерву в головной мозг для окончательной обработки и сознательного восприятия.

Практические работы.

Практическая работа №1
Определение работы сердца в покое и после физических упражнений.
Найдем пульс на запястье. Подсчитаем за 15 секунд. Полученную цифру умножаем на 4. По формуле А=М·Д·С найдем работу сердца каждого ученика в покое.
Сделайте 15 – 20 приседаний, найдите снова пульс. Посчитайте количество ударов сердца за 1 минуту и определите его работу после работы мышц.
Сделайте вывод.
Практическая работа № 2
Измерение кровяного давления учащихся.
В ходе измерения давления у разных учеников в зависимости от состояния здоровья давление различное.
Практическая работа № 3
Умеете ли вы правильно дышать?

Давайте проверим, правильно ли вы дышите. Для этого положите перед собой часы с секундной стрелкой, сядьте поудобнее, расслабьтесь, расправьте плечи. Сосчитайте, сколько вдохов-выдохов вы делаете в течение минуты. Проследите за ритмом дыхания: соотношением вдоха и выдоха, расстановкой пауз в этом цикле. Определите, как именно вы дышите: активно расслабляя живот – брюшной тип дыхания, поднимая и опуская грудную клетку – грудной тип, совмещая то и другое – смешанный тип дыхания.

Результаты исследования внесите в таблицу, где n, количество вдохов-выдохов, t=60 с.

ν= n / t

Т = 1 /ν

Вывод

Предлагаем сравнить с нормой:
n = 16, ν= 0,27, Т = 1/0,27=3.704
Практическая работа №4

“ Определение экономичности работы сердца”
Ход работы
1. Подсчитайте пульс за 1 минуту (В)
2. Сделайте 15 приседаний и вновь подсчитайте пульс (А)
3. Подсчитайте экономичность работы сердца по формуле:
Э = (В – А)/В*100%, где

А – пульс за одну минуту,

В - пульс за одну минуту после физической нагрузки.
4. Вывод: если результат не превышает 30%, то ваше сердце работает экономично.

Практическая работа №. 5

Измерение кровяного давления учащихся.

В исследовании участвовали 28 учащихся 9 класса.

Вывод: 16 учащихся – давление в приделах нормы.

11 учащихся – давление выше нормы. 

1 учащийся – давление ниже нормы.

Вывод: В ходе измерения давления у разных учеников в зависимости от состояния здоровья давление различное. Учащимся, у которых давление не в норме рекомендовано следить за своим здоровьем.

Практическая работа №6

Определение работы собственного сердца. 

Физиологи определяют работу сердца с помощью формулы А=М·Д·С, где М- масса крови (кг.), С – число сердцебиений за 1 минуту, Д – давление крови в аорте (Па.). Рассчитываю приблизительную работу левого желудочка а) за сутки, если М=0,07 кг, Д=140мм.рт.ст, С=72удара/мин.

1мм.рт.ст. = 133,3Па, 140мм.рт.ст.=18662Па ≈19кПа, А=0,07кг·18662Па·72удара/мин·1440мин ≈ 135,36МДж. б) за год ≈49406,4 МДж в) за 14 лет ≈691689,6МДж

Практическая работа №7

Определила сколько литров крови за год прокачивает сердце человека, если за 1 с оно прокачивает 0,1 л крови? (Ответ: 3 153 600л)

Практическая работа №8

Окрашиваем цветок
У растений есть два типа сосудов. Сосуды-трубочки, являющиеся ксилемой, передают воду и питательные вещества снизу вверх – от корней к листьям. Образующиеся в листьях при фотосинтезе питательные вещества идут сверху вниз к корням по другим сосудам – флоэме. Ксилема находится вдоль края стебля, а флоэма – у его центра. Такая система немного похожа на кровеносную систему.

Оборудование: свежесрезанный цветок (белый нарцисс), ваза с водой, пищевой краситель.

1. Обрезаю цветок, оставив около 5 см стебля.
2. Добавляю в цветочную вазу несколько капель красителя.
3. Ставлю цветок в воду на несколько часов. Через сутки лепестки окрашиваться под цвет воды в вазе.

Что происходит? Цветок «всасывает» окрашенную воду через узкие сосуды-трубочки в стебле. Этот опыт наглядно демонстрирует, что капиллярные силы могут преодолеть силу гравитации. И что диффузия – основа газообмена и обмена веществ при кровообращении. 

Заключение

Таким образом изучив различные явления, происходящие в нашем организме, мы попытались объяснить их происхождение. На основе физических законов мы объяснили условия возникновения явлений, протекание их при различных исходных данных. При использовании приборов мы провели серию экспериментов, расширяющих понятие о явлении, объясняющих его.

По результатам экспериментов были сделаны выводы, построены сравнительные таблицы, диаграммы и графики. Мы научились работать на компьютере при помощи программ Microsoft Office Word, Microsoft Office Excel, Microsoft Office Power Point, Easy-PhotoPrint EX.

Список использованных источников

1. 
   Я познаю мир: Детская энциклопедия: Биология/сост: Н.В. Чудакова, А.В. Громов; Под общей ред. О.Г. Хинн.- М,:ТКО «АСТ», 1996.512 с.
   
2. 
   Я познаю мир: Детская энциклопедия: Химия/сост: Л.Я. Савина; Под общей ред. О.Г. Хинн.- М,:ТКО «АСТ», 1996.448 с.
   
3. 
   Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика/сост: А.А. Леонович; Под общей ред. О.Г. Хинн.- М,:ТКО «АСТ», 1996.480 с.
   
4. 
   Сонин Н.И. Биология. Человек. 8 класс: учебник для общеобразоват. учреж./ М.: Дрофа, 2010. 287 с.
   
5. 
   Перышкин В.М. Физика. 8 класс. учебник для общеобразоват. учреж./ М.: Дрофа, 2010. 192 с.
   
6. 
   Кац Ц. Б. Биофизика на уроках физики. – М.: Просвещение, 1988.
   
7. 
   Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. – М.: Наука, 1986.
   
8. 
   Маркушевич А. И. Детская энциклопедия «Человек». – М.: Педагогика, 1975.
   
9. 
   Зверев И.Д. Книга для чтения по анатомии, физиологии и гигиене человека – М.: Просвещение, 1993.
   
10. 
    Хуторской А.В. , Хуторская Л.Н. Увлекательная физика: Сборник заданий и опытов для школьников и абитуриентов с ответами. – М:АРКТИ, 2001.
    
11. 
    Колесов Д.В. ; Маш Р.Д. ; Беляев И.Н. Биология. Человек : учебник для 8 кл. общеобразоват. Учреждений – 6-е изд. – М:Дрофа 2005.
    
12. 
    Зорин И.И Элективный курс «Элементы биофизики» : 9кл. – М: ВАКО, 2007
    
13. 
    Мое тело: физиология и анатомия человека. Интерактивное учебное пособие.
    
14. 
    http://fizika.in/mehanika/zakoni-soxraneniya/
    http://gatchina3000.ru/great-soviet-encyclopedia/index.htm
    http://sdorov.ru/organizm/krovenosnaya-sistema/
    http://dic.academic.ru/
    http://www.physel.ru/
    http://ru.wikipedia.org/
    
15. 
    Строение глаза: http://www.websight.ru/anat.php\
    
16. 
    Википедия: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B0%D0%B7
    
17. 
    Строение глаза: http://www.excimerclinic.ru/press/stroenieglaza