Xvii территориальная учебноисследовательская конференция обучающихся 811 классов Юные дарования 21 века
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
государственное бюджетное общеобразовательное учреждение Самарской области средняя общеобразовательная школа №5 «Образовательный центр» имени М.П. Бочарикова города Новокуйбышевска городского округа Новокуйбышевск Самарской области XVII территориальная учебно-исследовательская конференция обучающихся 8-11 классов «Юные дарования 21 века» 2020-2021 учебный год Предметная секция: физика Тема: Определение электрического сопротивления тела человека Автор: Акопян Анна Класс: 10 Руководитель: Третьякова Мария Павловна, учитель физики г. Новокуйбышевск, 2021 год СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………3 ГЛАВА 1. СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ НАУЧНОЙ РАБОТЫ…………………………………………………………6 Электричество и кожа………………………………………………………….6 Электрические свойства тела человека……………………………………….9 Сопротивление тела человека…………………………………………………11 ГЛАВА 2. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ…………………………………………..13 2.1. Приборы для определения сопротивления……………………………………..13 2.2. Исследование зависимости сопротивления тела человека от состояния кожного покрова………………………………………………………………………15 2.2. Исследование зависимости сопротивления тела человека от физиологических факторов……………………………………………………………………………….17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………..19 БИБЛИОГРАФИЯ…………………………………………………………………….20 ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………………….21 ВВЕДЕНИЕ Используя электротехнические изделия в быту или на производстве, человек может попасть под действие электрического тока. Одним из факторов, влияющих на возможность поражения человека электрическим током, является сопротивление тела человека. Поэтому проблема защиты человека от воздействия электрического тока была и остаётся актуальной. Интенсивнее стал проявляться интерес к изучению физики тела человека. Все чаще совершаются попытки объяснить те или иные изменения состояния человека с точки зрения науки. Но в курсе физики, изучаемом в школе, практически не уделяется внимание физическим параметрам, характеризующим человека. Законы рассматриваются в частности на неживых объектах. Именно поэтому было принято решение провести исследование одного из физических параметров, а именно, сопротивление тела человека. И на этих исследованиях показать, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, взаимосвязаны. Существуют теоретические утверждения о зависимости сопротивления тела от кожного покрова, не исключено и влияние пути протекания электрического тока по телу, а также влияние физического и психоэмоционального состояния. Цель исследования: провести измерение сопротивления тела человека электрическому току и выяснить от каких факторов оно зависит. Объект исследования: организм человека Предмет исследования: электрическое сопротивление тела человека Для достижения цели поставлены следующие задачи исследования: -изучить необходимую литературу, отобрать, проанализировать, систематизировать информацию; -провести исследование результатов электрического сопротивления с помощью мультиметра; -провести сравнительный анализ полученных результатов и установить зависимость сопротивления тела человека: а) от состояния кожного покрова, б) от физиологических факторов (пол, возраст); - разработать практические рекомендации по защите человека от электрических травм. Гипотезой данного исследования является утверждение: «Если человеческое тело является проводником электричества, то оно обладает электрическим сопротивлением, которое зависит от состояния кожного покрова и физиологических факторов, таких как: возраст, пол, участок тела.» В процессе данной исследовательской работы использовались следующие теоретические и эмпирические методы: - сравнение и сопоставление теоретических данных с результатами эксперимента; - анализ различных информационных источников и результатов исследования по данному вопросу; - систематизация приведения в систему полученных теоретических и практических знаний. - наблюдение за экспериментом - исследование – выявление зависимости сопротивления тела от различных факторов. Новизна исследований заключалась в использовании современного цифрового оборудования для проведения измерения сопротивления человека (мультиметр): - с различным состоянием поверхности кожи; - у людей разного возраста; - у людей разного пола. В ходе работы, рассматривались вопросы, направленные на развитие интереса к физике, к экспериментальной деятельности, формирование умений работать со справочной литературой. Я познакомилась с методами исследования в физике и биологии, получила краткие данные о медицинской и биологической аппаратуре. Объяснение отдельных процессов, происходящих в живых организмах, на основе физических законов помогли мне установить причинно-следственные связи, существующие в живой и неживой природе, сформировали интерес к физике. Навыки, полученные при работе с измерительным прибором, при постановке эксперимента пригодятся в дальнейшем в научно-технической деятельности. ГЛАВА 1. СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ НАУЧНОЙ РАБОТЫ 1. 1. Электричество и кожаСуществование и развитие человека невозможно без непрерывного взаимодействия с окружающей средой. Влияние внешней среды на человека обычно рассматривается на примере действия электрического тока и магнитного поля. Энергия любого из этих факторов, так или иначе, преобразуется в электрическую, которая, взаимодействуя с электричеством человека, обуславливает реакцию человека на действие внешнего фактора. Преобразование энергии взаимодействующих факторов в электрическую подчиняется определенной передаточной функции. Основные процессы преобразования, описываемые передаточной функцией, происходят через кожу. Кожа является источником информации о состоянии органов и тканей человека и в то же время – защитной оболочкой человека от вредного воздействия среды.  Кожа, осуществляющая связь в системе «среда – человек» (рис. 1), представляет собой трехкомпонентную структуру, образованную эпидермисом, дермой и подкожной жировой клетчаткой, которые находятся в функциональном разрезе. Самым тонким слоем является эпидермис. Несмотря на незначительные размеры, он обладает наиболее ответственными функциями – защитной и информационной. Информация необходима для саморегуляции ряда биофизических процессов в организме, прежде всего тепловых и биоэлектрохимических.Рис.1. Кожа человека Эпидермис плоский, тонкий, ороговевший слой, представляет собой пограничную часть с разнообразными сложными барьерно-информативными функциями. Одна из основных функций – защита от проникновения в организм чужеродных, не свойственных ему микробов, аэрозольной пыли. Он способствует защите тканей и органов от проникновения ультрафиолетового и коротковолнового рентгеновского излучения. Структурные особенности эпидермиса обеспечивают ему высокую упругость, эластичность. Он имеет большую механическую прочность, что позволяет ему выдерживать большие механические нагрузки. Обладая высокими регенерационными свойствами, способен при повреждениях быстро восстанавливаться. Благодаря удивительным и многообразным видам электропроводимости он имеет исключительно высокую рецепторную защитную способность. Кожу многие ученые представляют, как топографическую связь отдельных участков эпидермиса со всеми органами человека. В эпидермисе находятся акупунктуры – точки и участки кожи, обладающие отличным от основного состава эпидермиса значением проводимости. Значит, есть различие и в свойствах этих точек. Через эти зоны в основном и осуществляется связь эпидермиса с внутренними органами. Возникновение электрической цепи через область эпидермиса в акупунктурных зонах может привести к смертельному исходу даже при очень маленьком напряжении. В то же время очень популярно воздействие на эти точки иглами с целью лечения или усиления некоторых функций организма – иглотерапия. Свойства кожи уникальны и удивительны. Уже давно было обнаружено, что клетки чистой кожи убивают болезнетворные бактерии и микробы, попадающие на ее поверхность, на воздухе, и в то же время через мокрую кожу могут свободно проходить эти же микробы. Чем это вызвано? Эпидермис – поверхностный слой кожи относится к диэлектрикам, обладающим огромным удельным сопротивлением и большим значением диэлектрической проницаемости. Под влиянием разности температур внутренних органов и окружающей среды возникает диффузия «электрического газа». При прохождении газа через место ранения, обладающего высоким удельным сопротивлением и большой диэлектрической проницаемостью, появляется статическое электричество. Напряженность поля может достигнуть десятка киловольт на 1 квадратный сантиметр. При такой напряженности клеточные мембраны разрушаются и бактерии погибают. Для разрушения нейрона или клетки достаточна электрическая энергия поля в пределах 10-20 Дж. Это свидетельствует о том, что кожа является своеобразным электростатическим фильтром, подобным электростатическому фильтру, применяемому в системах жизнеобеспечения для замкнутых помещений, представляя собой стерилизатор. Но все это происходит при условии, что сопротивление кожи поддерживается на очень высоком уровне. При наличии воды на коже или повышенной влажности кожи такое электростатическое поле возникнуть не может – нет и «стерилизатора». Следовательно, электричество человека служит очень хорошим стражем от поражения микроорганизмами – бактериями окружающей человека воздушной среды. 1.2. Электрические свойства тела человекаЧаще всего мы не задумываемся, а что же мы представляем собой, что мы можем сделать, какими возможностями и ресурсами обладаем? Человеческий организм представляет собой сложные биологические системы, поэтому, изучая происходящие в нем процессы, мы обратились к методам, которые используются в таких точных науках, как физика и химия. Ведь человек состоит из атомов и молекул, подчиняющихся физическим и химическим закономерностям. По нервному волокну распространяется электрический импульс. Профессор кафедры анатомии в Болонье (Италия) Луиджи Гальвани в книге «Трактат о силах электричества при мышечном движении» пишет: «Я разрезал и препарировал лягушку... Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги... Я зажегся страстным желанием исследовать это явление...» Но ответ на этот вопрос дал соотечественник Гальвани – Алессандро Вольта: живой организм проводит, пропускает через себя электрический ток. Именно Вольта и создал первый источник. Такой источник тока можно продемонстрировать. Нужно взять по пять пластинок из меди и цинка размером 30х30х4 мм и сложить их стопкой, чередуя и перекладывая промокательной бумагой, смоченной крепким раствором поваренной соли. Если взять столбик мокрыми пальцами за торцы, то можно почувствовать слабый, но явственный электрический удар. Если этот элемент подключить к гальванометру, он покажет наличие тока в цепи. Прошел 121 год после статьи Гальвани, и в 1912 г. было обнаружено, что внутри человеческого организма протекают токи, хотя и очень слабые. Исследователи доказали, что любой процесс внутри человека: работа сердца и мозга, прохождение нервных сигналов, мышечные сокращения – сопровождаются биологическими электрическими сигналами. Электропроводность – один из параметров, характеризующих жизненную деятельность живого существа. Известно, что с возникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрические явления, которые прекращаются при гибели живого существа. Человек при этом не является исключением. Тело человека представляет собой по своим электрофизическим свойствам соленый раствор (раствор электролита). 1.3. Сопротивление тела человекаПроводимость живой ткани в отличие от обычных проводников обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В живой ткани нет свободных электронов, и поэтому она не может быть уподоблена металлическому проводнику, электрический ток в котором представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Большинство тканей тела человека содержит значительное количество воды (до 65% по весу). Поэтому живую ткань можно рассматривать как электролит, обладающий ионной проводимостью. Иначе говоря, можно полагать, что перенос электрических зарядов в живой ткани осуществляется не свободными электронами, как это имеет место в металлических проводниках, а заряженными атомами или группами атомов – ионами. В живой ткани наблюдается явление межклеточной миграции (перемещение) энергии, т.е. резонансный перенос энергии электронного возбуждения между возбужденной и невозбужденной клетками. Поэтому можно предположить, что живая ткань обладает также электронно-дырочной проводимостью, свойственной полупроводникам, в которых перенос зарядов осуществляется электронами проводимости и дырками. Таким образом, тело человека можно рассматривать как проводник особого рода, имеющий переменное сопротивление и обладающий в какой-то мере свойствами проводников первого рода (полупроводники) и второго рода (электролиты). Из этих данных следует, что кожа обладает очень большим удельным сопротивлением, которое является главным фактором, определяющим сопротивление тела человека в целом. Следовательно, сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов и состояния окружающей среды.  Сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений (рис 2): двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи, т. е. эпидермиса, 2Rн (которые в совокупности составляют так называемое наружное сопротивление тела человека) и одного, называемого внутренним сопротивлением тела Rв (которое включает в себя сопротивление внутренних слоев кожи и сопротивление внутренних тканей тела). Рис. 2. Эквивалентная схема замещения сопротивления тела человека Сопротивление наружного слоя кожи Rн состоит из активного и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Полное сопротивление наружного слоя кожи Rн зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения и при площади электродов в несколько квадратных сантиметров может достигать весьма больших значений. Вывод: Исходя из теоретических аспектов, внутреннее сопротивление тела считается чисто активным, хотя, оно также обладает емкостной составляющей. Внутреннее сопротивление Rв практически не зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения и равно примерно 500 – 700 Ом. ГЛАВА 2. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 2.1 Приборы для измерения сопротивления Омметр – это измерительный прибор специализированного назначения, предназначенный для определения сопротивления электрического тока. Так как сопротивление выражается в Омах (Ом), то и прибор, его измеряющий получил название омметра. Омметр – это прибор непосредственного отсчета. Его основная функция – определение активных сопротивлений электрического тока. Как правило, омметр преобразует переменный ток в постоянный и производит измерения. Однако некоторые модели могут измерять сопротивление непосредственно переменного тока, без его преобразования. Омметры являются довольно полезными, а в ряде случаев и незаменимыми приборами, в зависимости от предъявляемых требований к диапазону производимых ими измерений. Цифровые омметры. Микроомметр MOM600A представляет собой измерительный мост с автоматическим уравновешиванием. Уравновешивание производится цифровым управляющим устройством методом подбора прецизионных резисторов в плечах моста, после чего измерительная информация с управляющего устройства подаётся на блок. Аналоговые электронные омметры. Принцип действия электронных омметров основан на преобразовании измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью операционного усилителя. Измеряемый объект включается в цепь обратной связи (линейная шкала) или на вход усилителя. Действие магнитоэлектрического омметра основано на измерении силы тока, протекающего через измеряемое сопротивление при постоянном напряжении источника питания. Мультиме́тр (от англ. multimeter), те́стер (от англ. test — испытание), аво́метр (от ампервольтомметр) — комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций. В минимальном наборе включает функции вольтметра, амперметра и омметра. Иногда выполняется мультиметр в виде токоизмерительных клещей. Существуют цифровые и аналоговые мультиметры. Мультиметр может быть как лёгким переносным устройством, используемым для базовых измерений и поиска неисправностей, так и сложным стационарным прибором со множеством возможностей. 2.2. Исследование зависимости сопротивления тела человека от состояния кожного покроваПри исследовании зависимости сопротивления кожного покрова будут использованы следующие приборы и материалы: мультиметр М-830 (Приложение 1), дистиллированная и подсоленная вода, салфетки. Порядок выполнения работы: 1. С помощью мультиметра измеряем сопротивление своего тела при чистой, сухой и неповрежденной коже. Электроды прикладываем от ладони одной руки к ладони другой руки Rлп. Повторяем измерения 10 раз и вычисляем среднее значение сопротивления. Полученные результаты занесем в таблицу (Приложение 2). 2. Дистиллированной водой увлажняем руки, проводим измерения, сопротивление снижается. Данные измерений заносим в таблицу (Приложение 3). 3. Сильно подсоленной водой увлажняем руки, проводим измерения, сопротивление тела понижается еще сильнее. Данные измерений заносим в таблицу (Приложение 4). Сопротивление кожи понижается при её увлажнении даже в том случае, если влага обладает большим удельным сопротивлением. Влага, попавшая на кожу, растворяет находящиеся на ее поверхности минеральные вещества и жирные кислоты, выведенные из организма вместе с потом и кожным салом, и становится более электропроводной. Пот хорошо проводит электрический ток, поскольку в его состав входят вода и растворенные в ней минеральные соли, а также некоторые продукты обмена веществ. Он выделяется на поверхность кожи по выводным протокам – тонким трубочкам, пронизывающим всю толщу кожи. Выделение пота происходит непрерывно, даже на холоде, но особенно обильно при высокой температуре окружающего воздуха, напряжённой физической работе, местном нагреве кожи, болезни человека и т. п. Следовательно, работа в условиях, вызывающих интенсивное потоотделение, увеличивает опасность поражения человека током, работа сырыми руками или в условиях, вызывающих увлажнение каких-либо участков кожи, создает предпосылки для тяжелого исхода в случае попадания человека под напряжение. Порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы, т.е. повреждения рогового слоя – снижают сопротивление тела человека что, бесспорно, увеличивает опасность поражения током человека. 5. Протираем руки пылью, взятой от мебели. Прикладываем электроды на загрязненную кожу рук и измеряем сопротивление. Полученные результаты занесли в таблицу (Приложение 5). По результатам исследования, используя строим диаграмму «Исследование зависимости сопротивления тела человека от состояния кожного покрова» (Приложение 6). Загрязнение кожи различными веществами, в особенности хорошо проводящими ток (металлическая или угольная пыль, окалина и т. п.), сопровождается снижением ее сопротивления, подобно тому, как это наблюдается при поверхностном увлажнении кожи. Кроме того, токопроводящие вещества, проникая в выводные протоки потовых и сальных желез, создают в коже длительно существующие токопроводящие каналы, резко понижающие ее сопротивление. Таким образом, токарь по металлу, шахтер и лица других специальностей, у которых руки загрязняются токопроводящими веществами, подвержены большей опасности поражения током, чем лица, работающие сухими чистыми руками. Вывод: сопротивление кожи, а, следовательно, и тела в целом резко уменьшается при наличии влаги на ее поверхности, сильном потоотделении, загрязнении и повреждении ее рогового слоя. 2.3. Исследование зависимости сопротивления тела человека от физиологических факторовНа значение сопротивления влияют и другие факторы, хотя и в значительно меньшей степени, например пол и возраст. 1. Для проведения опыта были приглашены люди разного пола и возраста – мужчина (учитель физической культуры), женщина (учитель физики), девочка (я – 16 лет) и мальчик (16 лет). Измерения проводились с помощью мультиметра при одинаковых начальных условиях. Электроды прикладывались от одной руки к другой. Полученные результаты занесли в таблицу (Приложение 7) и построили диаграмму. У мужчин сопротивление тела больше, чем у женщин, а у девочек – меньше, чем у мальчиков. У взрослых больше, чем у детей. Объясняется это, очевидно, тем, что у одних людей кожа тоньше и нежнее, у других – толще и грубее. Расчитали среднее значение сопротивления и отобразили данные в виде диаграммы (Приложение 8). При проведении было замечено что сопротивление кожи девочек меньше нежели сопротивление мальчиков, что обусловлено физиологическими особенностями – кожа мальчиков имеет более толстый роговой слой, а дерма богаче коллагеном, поэтому она более плотная и упругая. Вывод: Исходя из проведенных исследований, на сопротивление кожи человека влияют физиологические особенности организма, а также важно состояние кожи. С возрастом наша кожа становится более защищенной. ЗАКЛЮЧЕНИЕПри анализе полученного материала выявляется четко выраженная зависимость сопротивления тела человека от: - состояния кожного покрова, - физического состояния человека, Таким образом, наша гипотеза о зависимости сопротивления тела от кожного покрова, физиологических факторов была подтверждена экспериментальным путем. На величину сопротивления, а, следовательно, и на исход поражения электрическим током, большое влияние также оказывает повышенная потливость кожного покрова, переутомление, нервное возбуждение, физические раздражители. Все перечисленные факторы приводят к резкому уменьшению сопротивления тела человека (до 800–1000 Ом). Поэтому, даже сравнительно небольшие напряжения могут привести к поражению электрическим током. Также значение полного сопротивления тела человека зависит и от параметров электрической цепи – места приложения электродов к телу человека, значений тока и приложенного напряжения, рода и частоты тока, площади электродов, длительности прохождения тока. Это дальнейшее продолжение изучение данной темы. Каждый работающий с электро-радиоаппаратурой должен помнить, что человеческий организм поражает не напряжение, а величина тока. При неблагоприятных условиях даже низкие напряжения (30–40 В) могут быть опасными для жизни. Если сопротивление тела человека равно 700 Ом, то опасным будет напряжение 35 В. Данная работа может быть применена для профилактики несчастных случаев при поражении электрическим током, а также поможет развить знания по данной теме и избежать неблагоприятных последствий. БИБЛИОГРАФИЯ 1. Беркинблит М.Б. и др. Электричество в живых организмах. – М.: Наука, 1988. 2. Богданов К.Ю. Физика в гостях у биолога. – М., 1986. 3. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. – М.: «Знак», 2000. 4. Охрана труда в энергетике / под ред. Б.А. Князевского. – М.: “Энергоатомиздат”, 1985. – 200с. 5. Энциклопедия для детей [том 16]. Физика Ч.1 Биография физиков. Путешествия вглубь материала. Механическая картина мира. – 2-е изд. Испр. /ред. Коллегия: М. Аксёнова, В. Володин, А. Элиович и др. – М.: Мир энциклопедий Аванта+, 2007. – 448с.: ил. 6. Энциклопедия для детей [том 16]. Физика Ч.2 Электричество и магнетизм. Тер-модинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц. /ред. Коллегия: М. Аксёнова, А. Элиович, В. Санюк и др. – М.: Мир энциклопедий Аванта+, 2007. – 432с.: ил 7. Информационный сайт http://ftemk.mpei.ac.ru/bgd/bgd_.htm#deistvie_toka – Безопасность жизнедеятельно-сти Московский энергетический институт (ТУ) Кафедра инженерной экологии и охраны труда. ПРИЛОЖЕНИЕ П  риложение 1Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6  Приложение 7
Приложение 9  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||