Приклад рішення для гірської екскурсії
Чому ви худнете, вирушаючи в гірський тур? ?
Ви худнете на гірській екскурсії двома способами:
· Ви потієте водою. Отже, ви повинні розрахувати, скільки потою виділяється вода
· Ви “споживаєте калорії”. Тож вам потрібно підрахувати, скільки роботи ви робите в гірській екскурсії і скільки глюкози або жиру потрібно вивести з організму, щоб забезпечити відповідну кількість енергії.
Яка робота проводиться в гірській екскурсії?
Це насамперед підйомна робота. Формула підйомної роботи така:
Whub = m Ч g Ч h
На додаток до відомого просторового коефіцієнта землі, вам потрібна маса скелелаза, включаючи рюкзак, а також перепад висоти, подоланий під час екскурсії.
Далі я припускаю екскурсію з перепадом висот h = 1000 м та скелелазом 70 кг з багажем 10 кг (включаючи одяг). Так:
Продовження: м = 80 кг, год = 1000 м
Sol.: Whub = m Ч g Ч h
=
В якій ще формі організм віддає енергію в навколишнє середовище?
Він також виробляє тепло. З уроків відомо (див. Сценарій), що ефективність роботи м’язів становить приблизно 1/6. Це означає, що щойно розрахована робота підйому в 800 кДж становить лише шосту частину енергії, що перетворюється в м’язах. В цілому, кількість енергії, що перетворюється в м’язі:
6 Ч 800 кДж = 4800 кДж
Отже, кількість виділеного тепла:
4800 кДж - 800 кДж = 4000 кДж
Скільки глюкози або жиру потрібно спожити, щоб виділити цю кількість енергії?
Фізіологічна теплотворна здатність виноградного цукру становить 17 кДж/г, жиру - близько 40 кДж/г. Якщо припустити, що запаси глюкози в м’язах швидко спорожняються, і організм незабаром перейде на спалювання жиру, можна спростити припущення, що вся кількість енергії виділяється за рахунок «спалювання» жиру.
Це призводить до приблизно
Жир, який потрібно «спалити»
Скільки води потрібно потіти, щоб виділити з тіла кількість тепла 4000 кДж?
Воду, яка повинна випаровуватися, спочатку слід нагріти від температури тіла до 100 ° C, тобто на 60 К. Для цього на грам води потрібно 60 кал ≈ 251 Дж. Для фактичного випаровування 100 ° С гарячої води ще 2088 Дж/р. Загалом з кожним грамом поту з організму розсіюється 251 Дж + 2088 Дж = 2339 Дж ≈ 2,34 кДж.
При «утилізації» 4000 кДж тепла через потовиділення
Залежно від погоди та одягу, більш-менш велика частина тепла, звичайно, віддається повітряним охолодженням та тепловим випромінюванням. Зокрема, частку повітряного охолодження дуже важко розрахувати. Але оскільки ви також віддаєте тепло, коли ви сидите або лежите спокійно, а температура тіла підвищується лише на кілька градусів (приблизно від 42 ° ви вмираєте), додаткове тепло, яке виділяється повітряним охолодженням або променистим теплом, коли тихо сидите, є низьким.
Загальний результат втрат
· Загалом, у спекотну погоду на вершині слід важити приблизно на 2 кг менше, ніж у долині, але більша частина втрати ваги - це вода, яку необхідно заповнити в короткий термін, щоб зберегти здоров’я.
· Фактична втрата ваги через розщеплення жиру в організмі становить приблизно 120 г.
Я не завжди роздаю учням такі арифметичні завдання як сценарії, тому що я не хочу передбачати чи ігнорувати ідеї, які учні вносять у моделювання. Тож наступне рішення - лише приклад того, як я виконую такі завдання із учнями 8 класу.
Запитання в лівій колонці повинні бути лише ключовими питаннями для вчителя і, звичайно, повинні бути адаптовані до курсу обговорення в класі та, при необхідності, доповнені подальшими невеликими запитаннями.
Ви, мабуть, мали справу з принаймні потенційною енергією заздалегідь. Завдання, звичайно, сприятливе після термодинаміки. Однак я в основному маю справу з цим у зв'язку з позиційною енергією, якщо теорія тепла ще не розглядалася. Потім я передбачаю необхідну інформацію. Досвід показав, що це не велика проблема, оскільки інтуїтивно зрозуміло, що для нагрівання подвоєної кількості води потрібно також подвоєна кількість енергії, і що на кухонній плиті потрібно досить багато часу, щоб дійти до горщика, повного 100 °, навіть при повній потужності гаряча, кипляча вода перетворюється на 100 ° гарячу пару, так що для цього потрібно багато енергії, і чим більше, тим більше води випаровується.
Звичайно, я також приймаю будь-які інші обґрунтовані припущення на даний момент, запропонуйте учням. На уроці я зазвичай дозволяю кожному студенту спочатку вибрати власні дати, а через розумний час обробки зробити приклад на дошці.
Якщо хтось більше знайомий з фізіологією, ніж я (що не є подвигом), він, звичайно, повинен включити свої знання. До речі, має сенс обговорити зі студентами в такі та подібні моменти, що фізичні результати настільки точні, наскільки використовуються вхідні дані, і що результат, як правило, є більш точним, якщо докладати більше зусиль для моделювання та подальших ефектів включений у рахунок-фактуру. Наприклад, ви можете додати додаткову 10% надбавку, щоб врахувати так звані "зустрічні підйоми", тобто місця, де спостерігається тенденція до зниження в процесі фактичного підйому. Або також враховується підняття ніг, або відсоток надбавки за спуск, який також вимагає роботи від м’яза, хоча ця робота не може бути фізично названа та розрахована.
Коротко! Маршрут - мета. Завдання - це лише засіб досягнення мети вступити в бесіду зі студентами (і, нарешті, також у розрахунок) на тему "енергія".
Примітка для вчителів: "Фізіологічна теплотворна здатність" враховує, що частина споживаної їжі виводиться назовні без використання. Наприклад, фізична теплотворна здатність целюлози, як і всіх вуглеводів, становить приблизно 17 кДж/г, тоді як для людини фізіологічна теплотворна здатність дорівнює 0, оскільки целюлоза виводиться неперетравленою. Навпаки, велика рогата худоба перетравлює близько половини целюлози, що міститься в соломі, так що фізіологічна теплотворна здатність целюлози для великої рогатої худоби становить приблизно 8,5 кДж/г. Однак у всіх живих істот енергетичні витрати, які організм повинен витратити, щоб використати їжу, слід відняти від фізіологічної теплотворної здатності. На жаль, я не зміг знайти жодного номера для цього
Не бійтеся власних прогалин знань . З мого досвіду, учнів вражають міждисциплінарні знання вчителя. Моя корона не тріскається, коли студенти щось запитують, і я повинен сказати їм, що не знаю. У відповідних випадках я рекомендую студенту, який задав питання, повідомитись та запропонувати йому результати своїх досліджень як презентацію. Крім того, багато питань досі залишаються відкритими і суперечливими, особливо в цій галузі кількісної фізіології
Якщо вистачає часу на викладання, наприклад, фізика як основний напрямок у північно-західній галузі, наступні міркування також можуть бути розглянуті зі студентами, якщо ви трохи їх ведете. Вони здебільшого захоплені тим, що можна обчислити за допомогою невеликої шкільної фізики та кількох простих міркувань щодо пропорційності. Спочатку вони доступні лише для вчителя:
Теплова радіація: Якщо температура тіла підвищується з 37 ° C (310 K) до 40 ° C (313 K), ці 3 K становлять приблизно 1% від поточної температури тіла. Оскільки потужність випромінювання чорного тіла зростає пропорційно четвертій потужності його температури, це означає на 4% більше потужності випромінювання і, отже, незначна (1+ d) 4 = 1 + 4 d + 6 d 2 + 4 d 3 + d 4 ≈ 1 + 4 d
Повітряне охолодження: Кількість тепла, що виділяється повітряним охолодженням, пропорційна різниці температур між тілом та його оточенням. При температурі навколишнього середовища 20 ° C і "нормальній температурі тіла 37 ° C, підвищення до 40 ° C означає збільшення різниці температур від 17 K до 20 K, тобто приблизно на 15%.
Разом: Навіть якщо ви не знаєте, який із двох ефектів зазвичай більший, максимальна кількість додаткового тепла, що виділяється повітряним охолодженням, залишається нижче 15%, принаймні, якщо ви нереально не враховуєте того факту, що в горах, на відміну від вітальні, також є вітер.
Результат: Загальновідомо, що потужність людини, коли тихо сидить, становить приблизно 70 Вт, що в кінцевому підсумку залишає її знову у вигляді тепла над поверхнею. Розраховані додаткові 15% становлять близько 10 Вт. Оскільки ви можете піднятися близько 300 метрів на годину, підйом на вершину на 1000 метрів вище займає близько 12000 секунд. Додаткові втрати тепла внаслідок охолодження повітря без вітру становлять максимум
10 Вт Ч 12 000 с = 120 000 Дж = 120 кДж
Це фактично лише мала частка з 4000 кДж, яку потрібно видалити