Исследовательская работа " Распространение вирусных инфекций с точки зрения физики"

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Суенгинская общеобразовательная школа

Секция: физика

Распространение вирусных инфекций с точки зрения физики

Исследовательская работа

Автор: Ликонцева Ника

 8 класс

Руководитель-учитель физики

Полубоярцева Валентина Васильевна

Суенга

2024 год

Оглавление

Введение    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .3
1. Теоретическая часть    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .5

1.1.Пути передачи ОРВИ    .    .    .    .    .    .    .    .     .5
2. Практическая часть    .    .    .    .    .    .    .    .    .     .7

Работа №1. Измерение массы и роста тела    .    .    .  7

Работа №2.Определение дыхательного объема легких

      человека по номограмме   .    .    .    .    .    .     .     .7
Работа №3. Определение дыхательного объема легких

       при помощи самодельного   спирографа    .    .    9
Работа №4. Определение объема воздуха в комнате 11

Работа №5. Расчет количества молекул воды, вдыхаемых

       человеком    .   .    .    .    .    .    .    .     .    .    .    .   11

Работа № 6. Анализ заболеваемости ОРВИ и

 гриппом в школе    .    .    .    .    .     .    .    .    .    .    .  12

Заключение    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .  13
Список литературы и источников    .    .    .    .    .    .14
Приложение   .    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .    .  15

Введение

Острые респираторные вирусные инфекции занимают значительную долю в структуре заболеваемости человечества и занимают лидирующее место среди инфекционных заболеваний, а  «королем» всех эпидемий является грипп. Грипп (фр. grippe, от нем. grippen – «схватить», «резко сжать») – острое инфекционное заболевание дыхательных путей, вызываемое вирусом. Входит в группу острых респираторных вирусных инфекций (ОРВИ). Периодически распространяется в виде эпидемий и пандемий. В настоящее время выявлено более 2000 вариантов вируса гриппа. В России число ежегодно болеющих ОРВИ, гриппом, коронавирусом достигает более 30 млн. человек. В среднем взрослый человек переносит 2-3 простуды в течение года, ребенок болеет от 6 до 9 раз. Важно отметить, что ОРВИ, особенно грипп и КОВИД в некоторых случаях могут привести к летальному исходу.  К тому же с каждым годом приходят новые и новые вирусы. Ведутся профилактические работы для населения, для нас, школьников, в том числе.

Актуальность. Эпидемии ОРВИ и гриппа охватывают огромное количество населения и особенно много заболевают в детской среде.  Несмотря на рекомендации врачей, ежегодно в стране закрываются на карантин детские сады и школы во время эпидемий. Рассмотрим распространение ОРВИ с точки зрения физики: можно ли определить объем легких, ведь объем тел правильной формы и небольших тел неправильных форм мы умеем, можно 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 воды в выдыхаемом и вдыхаемом учащимися воздухе в условиях школьного кабинета и вероятность распространения вируса ОРВИ среди учащихся.

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 ОРВИ среди учащихся.

Гипотеза: вероятность распространения вируса гриппа среди учащихся одного класса возможна и вероятность заражения мальчиков и девочек происходит с разной частотой.

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

План исследования

·          Подбор и изучение материала по ОРВИ. Изучение распространения ОРВИ.

·          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.

·          Заключение.

I.Теоретическая часть

1.1. Пути передачи ОРВИ, гриппа и коронавируса

На сегодняшний день учеными выделено более тысячи  подвидов вируса ОРВИ. Каждый год вирус гриппа, коронавируса мутирует. Инкубационный (скрытый) период гриппа обычно составляет 2-3 дня, но может длиться до 7 дней. Заражение в большинстве случаев происходит воздушно-капельным путем (при кашле, чихании, разговоре с больным) реже через предметы обихода (посуду, полотенца и т.д.). Вирусы ОРВИ, гриппа, коронавируса, 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 организма. Вирус, 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 - пневмонию, 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 [4]. 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 [2].

Известна следующая статистика - число микробов в необлученной комнате в 1 кубическом сантиметре:

	Число микробов в 1
Воздух у пола	110
Воздух на высоте 0,5 м от пола	88
Воздух на высоте 1,7 м от пола	78
Воздух на высоте 2,3 м от пола	89

2. Практическая часть

Работа №1.  Измерение массы и роста учащихся

Приборы и материалы: рулетка, напольные весы.

Порядок выполнения работы.

1.                     Взвеситься каждому испытуемому (5 девочек и 5 мальчиков), данные занести в таблицу 1.

2.                     Измерить рост испытуемых, данные занести в таблицу 1.

Таблица 1.

Основные параметры дыхания человека	Числовые значения
	девочки					мальчики
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
Возраст, лет	16	15	14	13	13	15	14	14	14	14
Масса, кг	55	80	47	68	44	57	48	59	67	40
Рост, м	1,65	1,68	1,65	1,68	1,54	1,73	1,71	1,81	1,77	1,47

Вывод. Масса и рост девочек отличается от массы и роста мальчиков. По физиологическим параметрам испытуемые подобраны правильно.

Работа №2. Определение площади поверхности тела человека и  объема легких с помощью номограммы.

Приборы и материалы: линейка, номограмма.

Порядок выполнения работы.

1.                     Соединить на номограмме при помощи линейки прямой линией показатели массы и длины тела. Точка пересечения этой прямой со шкалой S дает значение площади поверхности. Приложение 1, Приложение 2.

Справка.  Номогра́мма (греч. -закон) графическое представление функции от нескольких переменных, позволяющее с помощью простых геометрических операций (например, прикладывания линейки) исследовать функциональные зависимости без вычислений [9].

                 2. Рассчитать объем легких по формуле V=2,5××S, (мальчики) , V=2, 0× S,  (девочки). Так как считается, что каждому квадратному метру поверхности тела мужчины соответствует 2,5л, а женщины – 2,0л объема легких [8].

         3. Результаты занести в таблицу 2.

                                                                                                           Таблица 2.                                                   

Основные параметры дыхания человека	Числовые значения
	девочки					мальчики
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
Возраст, лет	16	15	14	13	13	15	14	14	14	14
Масса, кг	5	0	7	8	4	7	8	9	7	0
Рост, м	1,65	1,68	1,65	1,68	1,54	1,73	1,71	1,81	1,77	1,47
Площадь поверхности тела,	1, 50	1,95	1,48	1,80	1,40	1,66	1,50	1,74	1,82	1,30
Объем легких, л	3,00	3,90	2,96	3,60	2,80	4,15	3,75	4,35	4,55	3,25
Среднее значение объема легких, л	3,252					4,010

Для девочек диапазон объема легких от 2,80-3,90 л, для мальчиков от 3,75 до 4,55 л.

Вывод. 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 к еще более частому захвату при вдохе молекул воды, побывавших в легких других людей.

Работа №3. Определение дыхательного объема легких человека при помощи самодельного спирографа

Приборы и материалы: воздушный шарик, метр.

Порядок выполнения работы.

1. В качестве самодельного спирографа я использовала воздушный шарик. При выдохе воздуха в шарик он надувается. Объем шарика вычисляем  по формуле , зная диаметр шарика, либо зная радиус[1]

2. Измерение дыхательного объема легких Vдых. Для этого сделать в шарик 10 спокойных выдохов.

3. Повторить опыт 3 раза. Вычислить средний дыхательный объем легких и занести в таблицу 2.

Таблица 2

Параметры дыхания человека
		Девочки					Мальчики
		1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
Количество выдохов в шарик		10	10	10	10	10	10	10	10	10	10
Длина окружности, м	1	0,67	0,74	0,66	0,65	0,73	0,98	1,0	0,95	1,04	0,93
	2	0,65	0,75	0,66	0,66	0,72	0,99	0,99	0,95	1,03	0,75
	3	0,65	0,75	0,68	0,68	0,70	0,95	0,99	0,96	1,04	0,77
Среднее значение длины, м		0,66	0,75	0,67	0,66	0,73	0,97	0,99	0,96	1,04	0,76
Среднее значение радиуса, м		0,105	0,117	0,107	0,105	0,115	0,152	0,158	0,152	0,104	0,120
Среднее значение объема заполняющего его воздуха, м³		0,0050	0,0067	0,0050	0,0048	0,0115	0,0154	0,0165	0,0152	0,0104	0,0120
Средний дыхательный объем легких, м³		0,00050	0,00067	0,00050	0,00048	0,00115	0,00154	0,00017	0,00152	0,00105	0,00120
Средний дыхательный объем легких, л		0,50	0,67	0,50	0,48	1,15	1,54	1,65	1,52	1,05	1,2
Среднее значение дыхательного объема легких, л	0,66						1,39

 4. Вычислить среднее значение длины окружности: Lокр ср= (0,67+0,65+0,66) / 3=0,66 м  

     5. Вычислить среднее значение радиуса: из формулы Lокр=2πR выразить радиус : R= Lокр / 2π = (0,66 м)/(2∙3,14)=0,105(м)

     6.Вычислит объем шара по формуле V=πR=

= (4/3) ∙3,14∙(0.105)³=0,005(м³ )

     7.Средний дыхательный объем легких V(л)=V/10, так как было 10 вдохов в шарик :V(л) =(0,005мᵌ)/10=0,0005м³=0,50л. Средний дыхательный объем легких 0,66 л для девочек, для мальчиков от 1,392 л.

Вывод. Жизненная емкость легких мальчиков больше, чем у девочек. Жизненная емкость легких мальчиков оказалась примерно равной 1,392 л, это больше, чем у девочек - 0,66л. Максимальное количество воздуха мальчикам поступает во время вдоха больше, чем девочкам.

Работа № 4. Определение объема воздуха в комнате

Приборы и материалы: рулетка, калькулятор.

Порядок выполнения работы.

1.                     Измерить длину, ширину и высоту классной комнаты, (Приложение 3).

2.                     Вычислить объем комнаты по формуле V=a∙b∙c =S∙c , где a- длина,   b-ширина, c- высота. S- площадь пола:  a=5,45м, b= 5,60м,  c=3,00м

V=5.45м∙5,6м∙3,0м= 30,52∙ 3,0м =  91,56

S = 30,52/4=5,1площадь кабинета, приходящегося на 1ученика.

Вывод. Площадь, приходящаяся на одного ученика составляет 5,1 , для сравнения: по Санпину -2,5 [7 ]. Площадь и объем кабинета позволяет проводить эксперимент.

Работа №5. Расчет количества молекул воды, вдыхаемых человеком.

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 см=м-размер одного атома [3]

D≈3∙  см-диаметр молекулы воды

Считаем, что каждая молекула воды при плотной упаковке молекул занимает объем =3∙см³.

Объем капли – V=0.05см³  (диапазон объема капли 0.02-0.07мл)

N=V/=

N=(0.05см³)/(3∙ см³  ) ≈1,66                   3,3∙

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

V = 91,56м³=91560л - объем воздуха в кабинете физики

N=91560×2,7×  =2,47× молекул воды содержится в кабинете. Если мы при одном вдохе получили 1, 0 л воздуха, то на каждого человека примерно приходится

(2,47×  ) /4 человека = 6,1× молекул.

Для девочек 0,66×6,1× = 4,026молекул

Для мальчиков 1,392×6,1× =8,49× молекул

Вывод. При одном вдохе воздуха легкие мальчиков захватывают больше молекул воды, чем девочки.

Работа № 6. Анализ заболеваемости ОРВИ и гриппом в школе.

Проведена была анкета «Мы знаем про грипп» (Приложение 3). В проведении анкеты мне помогала фельдшер села Руднева В.М.

Анализ анкеты следующий:

1.   Наиболее частым заболеванием в нашей школе является ОРВИ 75%, кароновирусом – 5%, гриппом -5%, отитом, ветрянкой, гайморитом- 10%. А также выявлен один случай педикулеза.

2.     Заболевшие ученики соблюдают постельный режим в острый момент болезни.

3.     Чтобы не болеть 34% детей принимают витамины, меньшее количество ребят употребляют чеснок, единицы ребят – лук.

4.     83% прививаются от гриппа, остальным не разрешают мамы делать прививки от гриппа.

5.     После вакцинации болеют гриппом единицы в легкой форме.

6.     Большинство учеников знают, что прививки от гриппа необходимо делать осенью.

Вывод. Большая часть учеников нашей школы информированы о болезнях ОРВИ и гриппа, так как систематически к нам в школу приходит фельдшер и рассказывает о данных инфекциях, делает прививки, проводит профилактические осмотры. Вместе с тем, дети легкомысленно относятся к профилактике заболеваний. В том числе  дети равнодушно относятся к салатам из местных овощей, мало употребляют фруктов, соков. Посещают общественные места во время эпидемий гриппа и ОРВИ, а также переохлаждаются.  В школьной столовой, а возможно и дома руки моют незначительно, к тому же без моющихся средств.

Изучая материалы из разных источников и проведя анкетирование, я пришла к выводу, что пропаганда значимости профилактики и изучение разнообразных методов предупреждения заболеваний ОРВИ и гриппа, формирование понятий о здоровом образе жизни, развитие желания у детей и подростков к здоровому образу жизни, положительно влияет на личность.  Я составила памятку для профилактики ОРВИ и гриппа (Приложение 4)

Заключение

Дыхание – это один из жизненно важных процессов в организме

человека, которое осуществляется в основном диффузией [5]. Молекулы воды постоянно находятся в воздухе из-за испарений с поверхности рек, озер и водоемов, можно найти примерное число молекул при каждом нашем вдохе. Считая, что в 1 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 тысяч микробов. Если предположить, что микробы равномерно распределятся по всему кабинету, то каждому находящемуся в кабинете достанется более 22 тысячи микробов. А это значит, что даже один учащийся, болеющий ОРВИ, окажется в классной комнате, то это создаст высокую вероятность заражения других детей. Я изучила теоретический материал о распространении ОРВИ, определила дыхательный объем легких, рассмотрела способы определения дыхательного объема легких, провела расчеты выдыхаемого количества молекул в воздухе. А также я рассчитала количество молекул воды, которые могут побывать в легких разных людей, находящихся в одной комнате. Вероятность распространения вируса гриппа среди учащихся одного класса можно определить, рассчитав концентрацию молекул в выдыхаемом и вдыхаемом учащимися воздухе. Я пришла 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 инфекциями воздушно-капельным путем.

Таким образом, гипотеза - вероятность распространения вируса ОРВИ среди учащихся одного класса возможна и вероятность заражения мальчиков и девочек происходит с разной частотой, полностью подтвердилась.

Список литературы и источников

1.      Атанасян Л.С., Бутузов В.Ф., Кадомцев С.Б.  и др.Геометрия. 7-9 классы: учеб. Для общеобразоват. Организаций / – 5-е изд. – М.: Просвещение, 2015.- 383 с : ил.

2.      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.

3.      Мякишев Г.Я, Буховцев Б.Б. Физика. 10 кл.: учеб. для общеобразоват.организаций: базовый и углубл.уровни /под ред. Н.А.Парфентьевой. – 6-е изд., перераб. И доп. – М.: Просвещение, 2018. – 432 с.: ил.

4.       О.Сутормин  Статья «Поговорим о воздухе, которым мы дышим». Сибирский Федеральный Университет 2000 г.

        https://smi.sfu-kras.ru/blogs/biotechnology/9

5.Перышкин А.В. Физика. 7 кл.: учебник /. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2016. – 238 с.: ил.

6.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).

7.     https://yandex.ru/search/?text=размер+классной+комнаты+по+санпину&clid=1985551-225&win=528&lr=133654

8.     https://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2017/10/15/integrirovannyy-urok-biologiya-fizika-v-10-klasse-na-temu-zakony

9.     https://diagnoster.ru/bolezni/a-bolezni/antibiotiki/ploshhad-tela/

Приложение 1

Девочки

Приложение 2

Мальчики

Приложение 3

Анкета «Мы знаем про грипп».

1.Какими болезнями вы болеете в течении года?

2. Знаете ли вы признаки гриппа?

  1. Да

  2. Нет

  3. Скорее да, чем нет

3. Как Вы обычно поступаете при первых признаках заболевания гриппом?

   1. Стараюсь соблюдать постельный режим хотя бы 3 дня

   2. Обращаюсь к врачу и следую его рекомендациям

   3. Переношу на ногах, ничего не меняя в ритме жизни

4. Какие меры профилактики гриппа вы используете?

    1. Витамины, лук, чеснок, салаты, фрукты, соки

    2. Противовирусные препараты

    3. Прививка против гриппа

    4. Избегание людных мест

    5. Не применяю никаких средств

5. Болели ли вы гриппом после вакцинации?

    1. Да

    2. Нет

6. Если вы болели то, каким образом протекала болезнь?

    1. Легкое течение

    2. Среднее

    3. Тяжелое

7.Когда нужно вакцинироваться от гриппа?

    1. За 2-3 недели до начала эпидемии гриппа

     2. Ежегодно в начале осени

     3. лучше привиться поздно

8. Информируют ли вас медицинские работники о проведении вакцинации против гриппа?

     1. Да

     2. Нет

     3. Редко

     4. Никогда не информировали

Приложение 4

Памятка по профилактике гриппа и ОРВИ

Острые респираторные вирусные инфекции (ОРВИ) – это вирусные заболевания, поражающие слизистую оболочку верхних дыхательных путей. Грипп – это острое инфекционное заболевание, передающееся воздушно-капельным путем и поражающее верхние дыхательные пути. Как происходит заражение: Основной путь передачи вирусов гриппа и ОРВИ – воздушно-капельный. Вирусы передаются при разговоре, кашле и чихании от больного человека к здоровому. Это происходит, когда капельки, образовавшиеся в результате кашля или чихания инфицированного человека, попадают в рот и нос находящихся рядом людей. Вирусы могут также распространяться через загрязненные руки или предметы, на которых находятся частицы вирусами гриппа. Как проявляется грипп и ОРВИ? - Повышение температуры тела выше 37,5 °С. - Сильная головная боль и головокружение. - Боль в глазных яблоках и мышцах. - Слезотечение и резь в глазах. Как защитить себя от гриппа и ОРВИ? Самое эффективное средство в профилактике гриппа – вакцинация. Своевременная вакцинация снижает заболеваемость гриппом в несколько раз, смягчает течение болезни, сокращает ее длительность, предотвращает осложнения.

Что делать, если вы начали болеть?

1. Останьтесь дома. Соблюдайте постельный режим.

2. При температуре 38-39 °С вызовите участкового врача на дом. Не сбивайте температуру до 38 °С – это показатель того, что в организме активно вырабатываются защитные клетки против вируса.

 3. Пейте как можно больше жидкости – теплый чай, морсы, компоты, соки, отвар из трав, шиповника.

4. Соблюдайте правила личной гигиены.

 5. Самолечение при гриппе недопустимо.

6. Своевременное обращение к врачу и раннее начало лечения (первые 48 часов заболевания) снизят риск развития осложнений гриппа: бронхита, пневмонии, отита, менингита, энцефалита, поражения сердца, почек и других внутренних органов и систем.