В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Распространение гриппа с точки зрения физики" ученица 8 класса школы определила концентрацию молекул в выдыхаемом и вдыхаемом учащимися воздухе в условиях школьного кабинета и вероятность распространения вируса гриппа среди учащихся одного класса.

Подробнее о проекте:

В учебной исследовательской работе по физике "Распространение гриппа с точки зрения физики" автор изучает теоретический материал по выбранной теме, определяет дыхательный объем легких различными методами (номограммы и самодельного спирографа) и расчитывает количество молекул выдыхаемого воздуха и количество молекул гриппа, выдыхаемого и вдыхаемого учащимися. После проведенного эксперимента ученица проанализировала и сравнила полученные результаты.

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Распространение гриппа с точки зрения физики" автор описывает пути передачи гриппа и ОРВИ, проводит практическое исследование, в рамках которого определяет дыхательный объем легких человека по номограмме, дыхательный объем легких при помощи самодельного спирографа, объем воздуха в комнате. Настоящая работа доказывает, что вероятность распространения вируса гриппа среди учащихся одного класса возможно определить, рассчитав концентрацию молекул в выдыхаемом и вдыхаемом учащимися воздухе.

Оглавление

Введение
1. Пути передачи ОРВИ и гриппа.
2. Эмпирическое исследование.
2.1. Определение дыхательного объема легких человека по номограмме.
2.2. Определение дыхательного объема легких при помощи самодельного спирографа.
2.3. Определение объема воздуха в комнате.
Заключение
Список литературы и источников
Приложения

Грипп – это острое инфекционное заболевание дыхательных путей. Входит в группу острых респираторных вирусных инфекций. Периодически заболевание распространяется в виде эпидемий. Грипп бывает разный, и его опасность тоже.

Он может быть неосложненным, при котором прогноз вполне благоприятный, а может иметь весьма серьезные последствия, вплоть до летального исхода. Каждый год в мире гриппом болеют около 5 млн человек и примерно 200-250 тысяч умирают. И даже в наше время трудно сделать вакцину, ведь с каждым годом приходят новые вирусы, потому что видов гриппа очень много.

Актуальность исследования заключается в том, что несмотря на рекомендации врачей, ежегодно закрываются на карантин детские сады и школы во время эпидемий. Поэтому нам хочется рассмотреть распространение гриппа с точки зрения физики.

Нам стало интересно, можно ли определить объем легких, ведь объем тел правильной формы и небольших тел неправильных форм мы умеем, сможем ли рассчитать примерное количество одних и тех же молекул, которые могут побывать в легких разных людей, находящихся в одной комнате.

Цель исследования: определить концентрацию молекул в выдыхаемом и вдыхаемом учащимися воздухе в условиях школьного кабинета и вероятность распространения вируса гриппа среди учащихся одного класса.

Задачи исследования:

1. Изучить теоретический материал по выбранной теме.
2. Определить дыхательный объем легких различными методами (номограммы и самодельного спирографа).
3. Рассчитать количество молекул выдыхаемого воздуха и количество молекул гриппа, выдыхаемого и вдыхаемого учащимися.
4. Проанализировать и сравнить полученные результаты и сделать выводы.

Объект исследования: дыхательный объем легких человека.

Предмет исследования: концентрация молекул в выдыхаемом и вдыхаемом учащимися воздухе в условиях школьного кабинета и вероятность распространения вируса гриппа среди учащихся одного класса.

Гипотеза: вероятность распространения вируса гриппа среди учащихся одного класса возможно определить, рассчитав концентрацию молекул в выдыхаемом и вдыхаемом учащимися воздухе.

Методы исследования: теоретический – анализ теоретического материала (метод использовался при работе с литературой и источниками); эмпирический (проведение эксперимента с использованием номограммы и самодельного спирографа для определения объема легких); математические методы обработки полученных результатов.

План исследования

• Подбор и изучение материала по гриппу. Изучение распространения гриппа.
• Выполнение практической части по определению объемов тел, воздуха в комнате, объема легких.
• Проведение математических расчетов по определению количества молекул побывавших в наших легких. Обработка и анализ полученных данных.
• Выводы.

На сегодняшний день учеными выделено более 2000 подвидов вируса гриппа. Каждый год вирус гриппа мутирует.

Инкубационный (скрытый) период гриппа обычно составляет 2-3 дня, но может длиться до 7 дней.

Заражение происходит: воздушно-капельным путем (при кашле, чихании, разговоре с больным) реже через предметы обихода (посуду, полотенца и т.д.).

Вирус ОРВИ и вирус гриппа, попадая на слизистые оболочки дыхательных путей (носа, горла, гортани), проникает в эпителий слизистых, где начинает выделять токсины, которые через кровь разносятся по всему организму, вызывая интоксикацию.

Вирус гриппа, поражая эпителий слизистой оболочки, нарушает защитную функцию слизистой верхних дыхательных путей, повышает проницаемость стенок капилляров. В результате, в организм человека беспрепятственно могут проникать другие микроорганизмы. Поэтому грипп может спровоцировать развитие тяжелых осложнений, например - пневмония, бронхит.

Научный коллектив из Мэрилендского университета в Колледж-Парке, изучая новые пути распространения вируса гриппа, пришли к выводу, что существует реальная возможность заразиться гриппом от больного человека, просто дыша с ним одним воздухом. Помимо этого, делается ещё несколько занимательных выводов.

Так, количество «выдыхаемых» вирусных частиц не зависит от степени выраженности болезни, т. е. от симптомов.

От степени выраженности симптомов гриппа зависит концентрация частиц гриппа в полости носа, которые могут быть выброшены во время чиханья [7].

А также русские ученые уже много лет тому назад указывали на значение воздуха в распространении заразных заболеваний. В отчетах С.-Петербургской городской больницы за 1881 год мы читаем: «Отмечаются многочисленные внутрибольничные заражения крупозным воспалением легких, рожей и другими заразными болезнями не только среди больных, но и среди персонала, через воздух палат, которые сверх меры перегружены больными».

В наши дни советская наука располагает убедительным и бесспорным материалом, свидетельствующим о значении воздуха в распространении многих инфекций [8].

1. Определение дыхательного объема легких человека

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

Приборы и материалы: воздушный шарик, линейка, номограмма1 для определения площади поверхности.

Порядок выполнения работы:

Определение объема легких человека по площади поверхности его тела.

Эксперимент 1.

1. Определить площадь поверхности тела человека с помощью номограммы. Для этого соединили при помощи линейки прямой линией показатели массы и длины тела. Точка пересечения этой прямой со шкалой S дает значение площади поверхности.

2. Рассчитали объем легких по формуле V=2,5*10-3 S (мальчики)

V=2, 0*10-3 S (девочки).

Формулы приведены для вычисления объема легких соответственно мужчин и женщин. Так как считается, что каждому квадратному метру поверхности тела мужчины соответствует 2500 мл, а женщины – 2000 мл объема легких.

3. Результаты занесли в таблицу

Таблица 1

Известно, что жизненная емкость легких в среднем у взрослого человека составляет 3000-4500 мл. она возрастает у спортсменов, особенно у гребцов и пловцов, и может достигать 8 л. Мы получили для девочек диапазон объема легких от 2720-3100 мл, для мальчиков от 3750 до 4550 мл.

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

1 Номогра́мма (греч. закон) графическое представление функции от нескольких переменных, позволяющее с помощью простых геометрических

операций (например, прикладывания линейки) исследовать функциональные зависимости без вычислений. Например, решать квадратноеуравнение без применения формул.

Девочки

Мальчики

Эксперимент 2 (приложение 1)

1. В качестве самодельного спирографа используем воздушный шарик. При выдохе воздуха в шарик он надувается. Объем шарика можно вычислить, если измерить его диаметр, по формуле

либо зная радиус

2. Измерили дыхательный объем легких Vдых. Для этого сделали в шарик 10 спокойных выдохов. Измерили диаметр шарика, вычислили объем заполняющего его воздуха. Вычислили дыхательный объем легких, разделив объем шарика на 10.

3. Повторили опыт 3 раза. Вычислили средний дыхательный объем легких и занесли в таблицу.

Таблица 2

l_ср1=(0,86+0,88+0,80)/3=0.85(м)

l_ср=(l_1+l_2+l_3)/3 - среднее арифметическое значение длины

l_окр=2πR - длина окружности

R=l_окр/2π - радиус окружности

R_1=(0,135 м)/(2∙3,14)=0,135(м)

V=4/3 πR^3 – объем шара

V=4/3 3,14〖∙0.135〗^3=0,01(м^3 )

V_л=V/10

V_л=(0,01м^3)/10=0,001м^3=1л

Средний дыхательный объем легких от 0,6 до 1,1 л для девочек, для мальчиков от 0,6 до 2 л. Во время каждого дыхательного движения человек вдыхает и выдыхает количество воздуха, составляющее 300-500 мл и называемое дыхательным объемом. Объем воздуха, который человек может выдохнуть после спокойного выдоха – резервный объем воздуха – составляет 1500 – 2000 мл.

Жизненная емкость легких и состоит из суммы объемов дыхательного, резервного вдоха и резервного выдоха. С помощью самодельного спирографа мы получаем жизненная емкость легких для девочек примерно от 2100 мл до 3100 мл (по номограмме от 2720-3100 мл), для мальчиков – от 2100 до 5100 мл (по номограмме от 3750 до 4550 мл).

Эксперимент 3(приложение 2)

V=a∙b∙c

V=4,5м∙6,5м∙3,0м=87,75м3

Молекул воздуха не существует, так как воздух — это смесь газов (азота, кислорода, углекислого газа и других). А также из-за испарения в воздухе всегда присутствуют молекулы воды. Заражение в основном происходит воздушно-капельным путем (при кашле, чихании, разговоре с больным).

Сколько молекул воды вдохнем, если при одном вдохе получили 1, 0 л воздуха? Считать, что в нем содержится 1 капля воды.

Решение:

D≈〖10〗^(-8) см=〖10〗^(-10) м-размер одного атома

D≈〖3∙10〗^(-8) см-диаметр молекулы воды

Считаем, что каждая молекула воды при плотной упаковке молекул занимает объем V_1=(〖3∙10〗^(-8) см)3 .

Объем капли – V=1см3

N=V/V_1

N=(1〖см〗^3)/〖(〖3∙10〗^(-8) см) 〗^3 ≈3,7∙〖10〗^22

Подсчитано, что в 1л воздуха содержится 2,7×1022 молекул.

V - 87,75м3=87750л - объем воздуха в кабинете физики

N=87750×2,7×1022 =2,37×1029 молекул содержится в кабинете. Если мы при одном вдохе получили 1, 0 л воздуха, то на каждого человека примерно приходится

2,37×1029 /27 человек=8,7×1026 молекул.

Считая, что в 1см3 воздуха на высоте 0,5 м от пола содержится 88 микробов. А мы как раз сидя за партами в кабинете чаще всего располагаемся на такой высоте, то в 1 л вдыхаемого воздуха 88 млн. микробов. Если предположить, что микробы равномерно распределятся по всему кабинету, то каждому находящемуся в кабинете достанется более 3 млн. микробов. А это значит, что даже один учащийся, болеющий гриппом, окажется в классной комнате, то это создаст высокую вероятность заражения других детей.

Таким образом, согласно поставленной цели и задачам, мы изучили теоретический материал о распространении гриппа, определили дыхательный объем легких, рассмотрели способы определения дыхательного объема легких, провели расчеты выдыхаемого количества молекул в воздухе. Также мы рассчитали количество молекул, которые могут побывать в легких разных людей, находящихся в одной комнате.

Наша гипотеза нашла подтверждение: вероятность распространения вируса гриппа среди учащихся одного класса можно определить, рассчитав концентрацию молекул в выдыхаемом и вдыхаемом учащимися воздухе.

Мы также пришли к выводу, что объем легких мальчиков больше, так как вес и рост мальчиков больше, чем девочек, а значит и количество вдыхаемого воздуха в легкие больше и это приводит еще более частому захвату при вдохе молекул, побывавших в легких других людей. А значит, можно предположить, что мальчики более уязвимы заражению воздушно-капельным путем.

Все понимают, что дыхание – это один из жизненно важных процессов в организме человека, которое осуществляется в основном диффузией. Дыхательный объем легких человека сумели определить двумя способами: по площади поверхности тела и методом спирометрии. Диаметр любого атома имеет порядок 10-8 см.

Эти размеры так малы, что их невозможно себе представить. Считая, что всегда молекулы воды находятся в воздухе из-за испарений с поверхности рек, озер и водоемов, можно найти примерное число молекул, разделив весь объем на объем, приходящийся на одну молекулу. При каждом вдохе мы захватываем столько молекул, что если бы все они после выдоха равномерно распределились в атмосфере земли, то каждый житель планеты при вдохе получил бы две-три молекулы, побывавшие в ваших легких. Вот почему необходимо оставаться дома при первых признаках заболевания, пока не удостоверился, что ты не являешься переносчиком опасных вирусов во время эпидемий.

С конца декабря в ежедневном режиме в новостях идут сообщения о новом инфекционном заболевании, вызванным коронавирусом 2019-nCoV. Для него характерны симптомы ОРВИ, переходящие в тяжелую пневмонию.

Коронавирусы — генетически близкая группа вирусов, которые заражают высших животных и человека. В городе Ухань (Китай) с населением 11 миллионов, были зафиксированы первые случаи заболевания. В городе введен карантин, с ним прервано железнодорожное и авиа-сообщение. Больной способен заразить других, причем воздушно-капельным путем, самым легким из всех возможных. Симптомы заболевания схожи с симптомами ОРВИ в легких случаях и с симптомами атипичной пневмонии – в тяжелых.

Поэтому в период вспышки по возможности необходимо также избегать контакта с больными и мест большого скопления людей, проводить влажную уборку с дезинфицирующими средствами, при чихании и кашле прикрывать рот и нос салфеткой и тщательно мыть руки.

1. Физика. 7 кл.: учебник /А.В. Перышкин. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2016. – 238 с.: ил.
2. Физика. 10 кл.: учеб. для общеобразоват.организаций: базовый и углубл.уровни /Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский; под ред. Н.А.Парфентьевой. – 6-е изд., перераб. И доп. – М.: Просвещение, 2018. – 432 с.: ил.
3. Геометрия. 7-9 классы: учеб. Для общеобразоват. Организаций /[Л.С. Атанасян, В.Ф. Бутузов, С.Б. Кадомцев и др.]. – 5-е изд. – М.: Просвещение, 2015.- 383 с : ил.
4. Чандаева С.А. Физика и человек: пособие для учителей физики общеобразоват. учреждений, гимназий и лицеев. – М.: АО «Аспект Пресс», 1994.- 336 с. – (Программа: Обновление гуманит. образования в России).
5. Что такое грипп? [Электронный ресурс].
6. Бугаев В. Грипп шагает по России / В. Бугаев // Гражд. защита. - 1998. - N: 10. - С. 14-18.
7. Свальнова В. Грипп: привет всей семье. / Свальнова В. // Здоровье. - 2001. - N 11. - С. 64-67.
8. Сутормин О. Поговорим о воздухе, которым мы дышим. Сибирский Федеральный Университет 2000 г.
9. Детская энциклопедия. Ред. Д. Д. Благого, В. А. Варсанофьева и др.1 том. Микробы в воздухе. Издательство «Педагогика». 1958—1962 г. Объём — 6000 c. Тираж — 300 тыс. экз.

Приложение 1

Проведение экспериментов по определению объема выдыхаемого воздуха

Приложение 2

Определение объема воздуха в комнате