Príklad riešenia horskej túry
Prečo chudnete, keď idete na horskú túru? ?
Na horskej túre chudnete dvoma spôsobmi:
· Vypotíte vodu. Musíte si teda spočítať, koľko vody je vypotené
· „Konzumujete kalórie“. Musíte si teda spočítať, koľko práce na horskej túre robíte a koľko glukózy alebo tuku je potrebné z tela odstrániť, aby ste poskytli primerané množstvo energie.
Aká práca sa robí na horskej túre?
Je to predovšetkým zdvíhacia práca. Vzorec pre zdvíhacie práce je:
Whub = m Ч g Ч h
Okrem známeho priestorového faktora Zeme potrebujete hmotu horolezca vrátane batohu a výškový rozdiel prekonaný počas prehliadky.
V nasledujúcom predpokladám túru s výškovým rozdielom h = 1000 m a 70 kg horolezca s 10 kg batožinou (vrátane oblečenia). Takže:
Pokračovanie: m = 80 kg, h = 1000 m
Sol.: Whub = m Ч g Ч h
=
V akej inej forme vydáva telo energiu prostrediu?
Tiež vyrába teplo. Z lekcií (pozri písmo) je známe, že účinnosť svalov je asi 1/6. To znamená, že práve vypočítaná zdvíhacia práca 800 kJ je iba šestinou množstva energie prevedenej vo svaloch. Celkovo teda množstvo energie prevedenej vo svale je:
6 Ч 800 kJ = 4800 kJ
Množstvo uvoľneného tepla je preto:
4800 kJ - 800 kJ = 4000 kJ
Koľko glukózy alebo tuku sa musí spotrebovať, aby sa uvoľnilo toto množstvo energie?
Fyziologická výhrevnosť hroznového cukru je 17 kJ/g, tukov približne 40 kJ/g. Ak človek predpokladá, že sa zásoby glukózy vo svaloch rýchlo vyprázdnia a telo čoskoro prejde na spaľovanie tukov, môže si zjednodušiť predpoklad, že celé množstvo energie sa uvoľňuje „spaľovaním“ tukov.
To má za následok okolo
Tuk, ktorý sa musí „spáliť“
Koľko vody musíte vypotiť, aby ste z tela vyťažili množstvo tepla 4000 kJ?
Voda, ktorá sa má odpariť, sa musí najskôr zahriať z telesnej teploty na 100 ° C, t. J. Na 60 K. K tomu je potrebných 60 kal ≈ 251 J na gram vody. Na skutočné odparenie 100 ° C horúcej vody ďalších 2088 J/g. Celkovo sa s každým gramom potu odvádza z tela 251 J + 2088 J = 2339 J ≈ 2,34 kJ.
S „likvidáciou“ 4 000 kJ tepla potením,
V závislosti od počasia a oblečenia sa viac alebo menej veľká časť tepla samozrejme vydáva chladením vzduchom a tepelným žiarením. Najmä podiel chladenia vzduchom je mimoriadne ťažké vypočítať. Ale keďže tiež pokojne sedíte alebo ležíte, vydávate teplo a teplota tela sa zvyšuje iba o niekoľko stupňov (od približne 42 ° zomriete), takže dodatočné teplo, ktoré vydáva chladenie vzduchom alebo sálavé teplo, keď je tiché sedenie, nízke.
Celkový výsledok straty
· Celkovo by ste v horúcom počasí mali na vrchole vážiť asi o 2 kg menej ako v údolí, ale väčšina chudnutia je voda, ktorú je potrebné v krátkom čase doplniť, aby ste zostali zdraví.
· Skutočné trvalé zníženie hmotnosti odbúravaním telesného tuku je približne 120 g
Nie vždy také aritmetické úlohy rozdávam študentom ako skriptá, pretože nechcem predvídať alebo ignorovať nápady, ktoré študenti do modelovania prinesú. Nasledujúce riešenie je teda iba príkladom toho, ako zvládam takéto úlohy so žiakmi 8. ročníka.
Otázky v ľavom stĺpci by mali byť iba orientačnými otázkami pre učiteľa a musia sa samozrejme prispôsobiť priebehu diskusie v triede a v prípade potreby ich doplniť ďalšími otázkami malého rozsahu.
Určite ste sa predtým vysporiadali aspoň s potenciálnou energiou. Úloha je po termodynamike samozrejme priaznivá. Väčšinou to však riešim v súvislosti s pozičnou energiou, ak sa teóriou tepla ešte nezaoberáme. Potom predvídam potrebné informácie. Prax ukazuje, že to nie je veľký problém, pretože je intuitívne zrejmé, že na zohriatie dvojnásobného množstva vody potrebujete aj dvojnásobné množstvo energie a že na kuchynskom sporáku trvá dosť dlho, kým aj pri plnom výkone dosiahnete hrniec plný 100 °. horúca vriaca voda sa premieňa na 100 ° horúcu paru, takže je na to potrebné množstvo energie a tým viac vody sa má odpariť.
V tomto bode samozrejme prijímam aj akýkoľvek iný rozumný predpoklad, navrhnite študentom. Na hodine zvyčajne nechám každého študenta, aby si najskôr vybral svoje vlastné dátumy, a po primeranom čase spracovania urobím na tabuli príklad.
Ak je niekto viac oboznámený s fyziológiou ako ja (čo nie je žiadny výkon), mal by samozrejme svoje vedomosti začleniť. Mimochodom, má zmysel so študentmi diskutovať v podobných a podobných bodoch, že fyzické výsledky sú iba také presné ako použité vstupné údaje a že výsledok je vo všeobecnosti presnejší, ak sa pri modelovaní a ďalších efektoch vyvinie väčšie úsilie. zahrnuté vo faktúre. Môžete napríklad pridať ďalší 10% príplatok, aby ste zohľadnili takzvané „protivstupy“, teda miesta, kde je počas skutočného výstupu klesajúci trend. Alebo sa vezme do úvahy aj zdvíhanie nôh alebo percentuálny príplatok za zjazd, ktorý si vyžaduje aj prácu od svalu, hoci túto prácu nemožno fyzicky pomenovať a vypočítať.
V skratke! Trasa je cieľ. Úloha je iba prostriedkom na dosiahnutie konverzácie so študentmi (a nakoniec aj k výpočtu) na tému „energia“.
Poznámka pre učiteľov: „Fyziologická výhrevnosť“ zohľadňuje to, že časť spotrebovanej potraviny sa vylučuje bez použitia. Napríklad fyzikálna výhrevnosť celulózy je rovnako ako všetky sacharidy približne 17 kJ/g, zatiaľ čo pre človeka je fyziologická výhrevnosť 0, pretože celulóza sa vylučuje nestrávená. Hovädzí dobytok naproti tomu strávi asi polovicu celulózy obsiahnutej v slame, takže fyziologická výhrevnosť celulózy pre dobytok je asi 8,5 kJ/g. U všetkých živých bytostí sa však energetický výdaj, ktorý musí telo poháňať na využitie potravy, musí odpočítať od fyziologickej výhrevnosti. Bohužiaľ som k tomu nemohol nájsť žiadne čísla
Nebojte sa svojich vlastných znalostných medzier . Podľa mojich skúseností sú študenti ohromení interdisciplinárnymi vedomosťami učiteľa. Koruna mi nepraská, keď sa študenti niečo pýtajú, a musím im povedať, že neviem. V primeraných prípadoch odporúčam študentovi, ktorý položil otázku, aby sa informoval a ponúkol mu výsledky svojho výskumu ako prezentáciu. Mnoho otázok je navyše stále otvorených a kontroverzných, najmä v tejto oblasti kvantitatívnej fyziológie
Ak je dostatok času na výučbu, napr. Fyzika ako odbor v SZ odbore, so študentmi sa možno zaoberať aj nasledujúcimi úvahami, pokiaľ ich budete trochu viesť. Väčšinou ich fascinuje to, čo sa dá vypočítať s trochou školskej fyziky a niekoľkými jednoduchými úvahami o proporcionalitách. Spočiatku sú k dispozícii iba pre učiteľa:
Tepelné žiarenie: Ak teplota tela stúpne z 37 ° C (310 K) na 40 ° C (313 K), sú tieto 3 K približne 1% súčasnej telesnej teploty. Pretože radiačný výkon čierneho telesa stúpa úmerne so štvrtým výkonom jeho teploty, znamená to o 4% vyšší radiačný výkon, a preto je zanedbateľný (1+ d) 4 = 1 + 4 d + 6 d 2 + 4 d 3 + d 4 ≈ 1 + 4 d
Vzduchové chladenie: Množstvo tepla vydávaného chladením vzduchom je úmerné teplotnému rozdielu medzi telom a jeho okolím. Pri teplote okolia 20 ° C a „normálnej telesnej teplote 37 ° C“ znamená zvýšenie na 40 ° C zvýšenie teplotného rozdielu zo 17 K na 20 K, to znamená asi o 15%.
Spoločne: Aj keď neviete, ktorý z týchto dvoch účinkov je zvyčajne väčší, maximálne množstvo dodatočného tepla vydávaného chladením vzduchom zostáva pod 15%, aspoň ak nerealisticky zanedbáte skutočnosť, že v horách na rozdiel od obývacej izby fúka aj vietor.
Výsledok: Je dobre známe, že sila človeka pri tichom sedení je približne 70 wattov, čo ho nakoniec opäť nechá vo forme tepla na jeho povrchu. Vypočítaných ďalších 15% predstavuje asi 10 wattov. Keďže môžete vystúpiť asi 300 metrov za hodinu, výstup na vrchol vyšší o 1000 metrov trvá asi 12 000 sekúnd. Dodatočné tepelné straty chladením vzduchom bez vetra dosahujú maximum
10 W Ч 12 000 s = 120 000 J = 120 kJ
To je v skutočnosti iba malá časť zo 4 000 kJ, ktorá sa má odstrániť