Példa megoldás egy hegyi túrára
Miért fogy, ha hegyi túrára indul? ?
Kétféleképpen fogysz egy hegyi túrán:
· Izzad a vizet. Tehát ki kell számolnia, hogy mennyi vizet izzad ki
· Ön „kalóriát fogyaszt”. Tehát ki kell számolnia, hogy mennyi munkát végez a hegyi túrán, és mennyi glükózt vagy zsírt kell eltávolítani a szervezetből a megfelelő mennyiségű energia biztosítása érdekében.
Milyen munkát végeznek egy hegyi túrán?
Ez elsősorban az emelt munka. Az emelési munka képlete:
Whub = m Ч g Ч h
A föld ismert térbeli tényezőjén kívül szükség van a mászó tömegére, beleértve a hátizsákot is, valamint a túra során leküzdött magasságkülönbségre.
A következőkben h = 1000 m magasságkülönbségű túrát és 70 kg-os hegymászót feltételezek 10 kg-os poggyásszal (ruházattal együtt). Így:
Folytatás: m = 80 kg, h = 1000 m
Sol.: Whub = m Ч g Ч h
=
Milyen más formában adja le a test az energiát a környezetnek?
Hőt is termel. Tanulságokból ismert (lásd a forgatókönyvet), hogy az izmok hatékonysága körülbelül 1/6. Ez azt jelenti, hogy a most kiszámított 800 kJ emelési munka csak az izmokban átalakított energiamennyiség hatodát teszi ki. Összességében tehát az izomban átalakult energia mennyisége:
6 Ч 800 kJ = 4800 kJ
A felszabaduló hő mennyisége tehát:
4800 kJ - 800 kJ = 4000 kJ
Mennyi glükózt vagy zsírt kell fogyasztani ahhoz, hogy felszabaduljon ez a mennyiségű energia?
A szőlőcukor élettani fűtőértéke 17 kJ/g, a zsíré kb. 40 kJ/g. Ha azt feltételezzük, hogy az izom glükózkészlete gyorsan kiürül, és a test hamarosan zsírégetésre vált, leegyszerűsítheti azt a feltételezést, hogy a teljes energiamennyiség felszabadul a "zsírégetés" révén.
Ennek eredményeként kb
Zsír, amelyet "elégetni kell"
Mennyi vizet kell izzadnia, hogy 4000 kJ hőmennyiséget nyerjen ki a testből?
Az elpárologtatni kívánt vizet először testhőmérsékletről 100 ° C-ra, azaz 60 K-ra kell felmelegíteni. Ehhez 60 cal ~ 251 J szükséges egy gramm vízhez. 100 ° C-os forró víz tényleges elpárologtatásához további 2088 J/g. Összesen minden izzadsággrammnál 251 J + 2088 J = 2339 J ≈ 2,34 kJ oszlik el a testből.
Izzadással 4000 kJ hő "ártalmatlanításával"
Az időjárástól és a ruházattól függően a hő nagyjából nagy részét természetesen a léghűtés és a hősugárzás adja ki. Különösen a léghűtés arányát rendkívül nehéz kiszámítani. De mivel csendben ülve vagy fekve is leadja a hőt, és a test hőmérséklete csak néhány fokkal emelkedik (kb. 42 ° -tól meghal), a csendes ülések során a léghűtés vagy a sugárzó hő által leadott további hő alacsony.
Teljes veszteség eredmény
· Összességében meleg időben kb. 2 kg-mal kevesebbet kell súlyoznia a csúcson, mint a völgyben, de a súlycsökkenés nagy része víz, amelyet rövid távon pótolni kell az egészség megőrzése érdekében.
· A testzsír lebontása révén a tényleges tartós fogyás körülbelül 120 g
Az ilyen számtani feladatokat nem mindig osztom szkriptként a hallgatóknak, mert nem akarom sem előre látni, sem figyelmen kívül hagyni azokat az ötleteket, amelyeket a hallgatók a modellezésbe hoznak. Tehát a következő megoldás csak egy példa arra, hogyan kezelem az ilyen feladatokat a 8. évfolyamos diákokkal.
A bal oldali oszlopban szereplő kérdések csak kulcsfontosságú kérdések lehetnek a tanár számára, és természetesen hozzá kell igazodniuk az osztálybeszélgetés menetéhez, és ha szükséges, további apró lépésekkel kell kiegészíteni őket.
Legalább a potenciális energiával előzetesen foglalkoznia kell. A feladat természetesen kedvező a termodinamika után. Leginkább azonban a helyzetenergiával kapcsolatban foglalkozom vele, ha a hőelmélettel még nem foglalkozunk. Ezután számolok a szükséges információkkal. A tapasztalat azt mutatja, hogy ez nem jelent nagy problémát, mivel intuitív módon egyértelmű, hogy a kétszeres vízmennyiség felmelegítéséhez kétszer annyi energiára is szükség van, és hogy a konyhai tűzhelyen elég sok időbe telik, míg teljes energiával 100 ° -ig tele edényt ér el a forró, forró vizet 100 ° -os forró gőzzé alakítják, így sok energia szükséges ehhez, és minél több vizet kell elpárologtatni.
Természetesen ezen a ponton elfogadok minden más ésszerű feltételezést is, javasolják a hallgatóknak. Az osztályban általában hagyom, hogy minden diák előbb válassza ki a saját dátumát, és ésszerű feldolgozási idő után példát tegyen a táblára.
Ha valaki jobban ismeri a fiziológiát, mint én (ami nem bravúr), akkor természetesen be kell építenie tudását. Egyébként van értelme megvitatni a hallgatókkal ilyen és hasonló pontokon, hogy a fizikai eredmények csak annyira pontosak, mint a felhasznált input adatok, és hogy az eredmény általában pontosabb, ha nagyobb erőfeszítéseket tesznek a modellezésre és a további hatásokra szerepel a számlán. Például hozzáadhat további 10% -os felárat, hogy figyelembe vegye az úgynevezett "ellentámadásokat", vagyis azokat a helyeket, ahol csökkenő tendencia figyelhető meg a tényleges emelkedés során. Vagy figyelembe kell venni a lábak emelését, vagy az ereszkedés százalékos felárát is, amely szintén munkát igényel az izomtól, bár ezt a munkát fizikailag nem lehet megnevezni és kiszámítani.
Röviden! Az útvonal a cél. A feladat csak egy eszköz a beszélgetés megkezdéséhez a hallgatókkal (és végül a számításhoz is) az "energia" témában.
Megjegyzés a tanároknak: A "fiziológiai fűtőérték" figyelembe veszi, hogy az elfogyasztott élelmiszer egy része felhasználás nélkül ürül. Például a cellulóz fizikai fűtőértéke, mint az összes szénhidrát, körülbelül 17 kJ/g, míg az embereknél a fiziológiai fűtőérték 0, mert a cellulóz emésztetlenül ürül. A szarvasmarha viszont a szalmában lévő cellulóz körülbelül felét emészti meg, így a szarvasmarhák cellulózának élettani fűtőértéke körülbelül 8,5 kJ/g. Minden élőlénynél azonban le kell vonni az élettani fűtőértékből azt az energetikai ráfordítást, amelyet a testnek táplálék felhasználása érdekében hajtania kell. Sajnos erre nem találtam számot
Ne félj a saját tudásbeli hiányosságaidtól . Tapasztalataim szerint a diákokat lenyűgözi a tanár interdiszciplináris ismerete. A koronám nem reped meg, amikor a diákok kérdeznek valamit, és el kell mondanom nekik, hogy nem tudom. Megfelelő esetekben azt javaslom, hogy a kérdést feltevő hallgató tájékoztassa magát, és felajánlja neki a kutatás eredményét. Ezenkívül sok kérdés még mindig nyitott és ellentmondásos, különösen a kvantitatív fiziológia ezen a területén
Ha van elég tanítási idő, pl. A fizika, mint szak az ÉNy-i ágban, akkor a következő szempontokat a hallgatókkal is meg lehet oldani, ha egy kicsit vezeted őket. Többnyire elbűvöli őket, ami kiszámítható egy kis iskolai fizikával és néhány egyszerű megfontolással az arányosságra vonatkozóan. Kezdetben csak a tanár számára állnak rendelkezésre:
Hősugárzás: Ha a testhőmérséklet 37 ° C-ról (310 K) 40 ° C-ra (313 K) emelkedik, akkor ez a 3 K az aktuális testhőmérséklet kb. 1% -a. Mivel egy fekete test sugárzási ereje arányosan növekszik hőmérsékletének negyedik teljesítményével, ez 4% -kal több sugárzási teljesítményt jelent, és ezért elhanyagolható (1+ d) 4 = 1 + 4 d + 6 d 2 + 4 d 3 + d 4 + 1 + 4 d
Léghűtés: A léghűtéssel leadott hőmennyiség arányos a test és környezete közötti hőmérséklet-különbséggel. 20 ° C környezeti hőmérsékleten és "normális testhőmérsékleten 37 ° C-on a 40 ° C-ra történő emelkedés azt jelenti, hogy a hőmérséklet-különbség 17 K-ról 20 K-ra nő, vagyis körülbelül 15% -kal.
Együtt: Még akkor is, ha nem tudja, hogy a két effektus közül melyik általában nagyobb, a léghűtés által leadott maximális hőmennyiség 15% alatt marad, legalábbis ha irreálisan figyelmen kívül hagyja azt a tényt, hogy a hegyekben a nappalival ellentétben szél is van.
Eredmény: Köztudott, hogy az ember csendes ülés közbeni teljesítménye körülbelül 70 watt, ami végül a felületén keresztül ismét melegség formájában hagyja el. A számított további 15% körülbelül 10 wattot tesz ki. Mivel óránként körülbelül 300 métert lehet megmászni, az 1000 méterrel magasabb csúcsra való feljutás körülbelül 12 000 másodpercet vesz igénybe. A szél nélküli hűtés miatti további hőveszteségek maximálisak
10 W Ч 12 000 s = 120 000 J = 120 kJ
Ez valójában csak egy kis része az eltávolítandó 4000 kJ-nak