Задачи с элементами биофизики в электричестве
Характерной чертой современной науки является интенсивное взаимопроникновение идей, теоретических подходов и методов, присущих разным дисциплинам. Особенно это относится к физике и биологии.
Задачи, связанные с биологическими процессами помогают расширить кругозор учащихся и углубить понимание основных явлений физики.
Привожу примеры подобных задач к разделу «Электричество» .
1. Чем объяснить такие явления: при ударе молнии лиственное дерево разрывается изнутри, а хвойное загорается снаружи; молния ударяет в дуб даже в том случае, если окружающие его сосны значительно выше?
2. У некоторых рыб оглушающих добычу или отпугивающих врага разряды постоянного электрического тока могут иметь напряжение 400 В и силу тока около 2А. Подсчитайте, какова может быть мощность электрического разряда рыбы? Определите, достаточно ли производимого рыбами электрического тока, чтобы стоваттная лампочка вспыхивала, как электрическая реклама?
3. Почему птицы без вреда для себя сидят на проводах высоковольтной передачи?
4. Величина поляризационной емкости клеточной мембраны достигает 2 мкФ на каждый см2 ее поверхности. Определить величину заряда, сосредоточенного на поверхности клетки, если разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями мембраны 90мВ.
5. Площадь поверхности мембраны 50мкм2. Сколько ионов находится на поверхности клетки, если все ионы одновалентны?
6. Сколько должна длиться процедура лечебного электрофореза, если через активный электрод площадью 350см2 необходимо провести 5мг кальция при плотности тока 0,2 мА/см2?
184. Электрические органы угря представляют собой нечто вроде живого вольтова столба. Напряжение электрического разряда достигает 300 В. Сравните по напряжению этот живой вольтов столб с тем, которым пользовался в своих опытах с электрической дугой русский ученый .
7. Тело человека обладает емкостью около 30см. Какого радиуса следует изготовить изолированный шарообразный проводник, чтобы он имел такую же емкость?
8. Потенциал конвейерной ленты при клейке галош достигает 8 000 В. Работницы, сидящие на деревянных скамейках во время работы, касаются ленты руками и получают заряд. Считая емкость тела работницы равной 25 пФ, определите заряд, сообщаемый ее телу.
9. Рассматривая жировую (миелиновую) оболочку нерва в качестве плоского конденсатора с площадью обкладок 1 см2, толщиной 2 мкм и е = 49, рассчитайте его емкость.
10. При франклинизации больного между электродами за время одной процедуры лечения (10 мин) проходит заряд 1,6 ∙ 10-2 Кл. Определите среднюю силу тока.
11. Рассчитайте полное сопротивление конечности человека переменному току городской сети, если она обладает активным сопротивлением R =1000 Ом и емкостью С = 0,001 мкФ.
12. Найдите силу и мощность электрического тока, который пройдет через организм человека, если он коснется руками сетевых проводов, находящихся под напряжением 220 В.
13. Почему при электромонтажных работах, производимых под напряжением, необходимо иметь обувь на резиновой подошве и резиновые перчатки?
14. Что означает эмблема «череп и кости» на трансформаторных будках и столбах высоковольтных линий?
15. Как можно защитить от сильных электрических разрядов людей, работающих на испытательной электростанции завода?
16. На птицеводческих фабриках в короткие зимние дни для повышения яйценоскости кур в отдельных цехах применяют искусственное электрическое освещение. С этой целью в осветительную сеть напряжением включают параллельно 5 ламп и ползунковый реостат, с помощью которого регулируют силу тока. Определить силу тока в цепи, если сопротивление каждой лампы 150 Ом, а сопротивление реостата 200 Ом.
17. На городские подземные коммуникации (газовые, водопроводные трубы и т. д.) очень интенсивно действуют не только химически активные вещества, но и «блуждающие» токи. Эти токи усугубляют процесс коррозии в металлах, содержащих железо. Источники «блуждающих» токов – все виды наземного транспорта и метро, а также линии высокого напряжения. а) Что делают для уменьшения коррозии? б) Почему «блуждающие» токи не действуют на людей?
18. Для человека смертельным является ток в 0,1 А и более. Сопротивление его тела можно принять 104 Ом. Чему равно минимальное напряжение, опасное для человека? Какие меры предосторожности надо выполнять, работая с цепью высокого напряжения?
19. Почему опасно работать с электрическим током при повышенной влажности воздуха?
20. Ток силой более 0,1 А чрезвычайно опасен для человека, т. к. вызывает частые и беспорядочные сокращения сердечной мышцы, что может окончиться смертью. Опасно ли для человека напряжение 120 В, если сопротивление влажной кожи человека около 1 кОм?
21. Человек с сопротивлением 60 кОм попал под напряжение 3 кВ. Определить силу тока, протекающего через него. Может ли он погибнуть в данных условиях? Что делают для предотвращения несчастных случаев при работе с электрическими сетями и установками?
22. Для определения влажности семян используют зависимость электроемкости конденсатора от влажности. С этой целью между двумя цилиндрическими поверхностями помещают зерно, влажность которого необходимо измерить. Как изменится электроемкость конденсатора с увеличением влажности семян?
23. Несущая частота передатчика телеэлектрокардиографа ТЭК-1, служащего для дистанционной регистрации электрокардиограммы человека, равна 145,5 МГр. На какой длине волны работает передатчик?
Ответы.
2. 800Вт тока, производимого рыбой достаточно, чтобы стоваттная лампочка вспыхивала, как электрическая реклама. 3. Тело сидящей на проводах птицы представляет собой ответвление цепи, включенное параллельно участку проводника между лапками птицы. При параллельном соединении двух участков цепи величина токов в них обратно пропорциональна сопротивлению. Сопротивление тела птицы огромно по сравнению с сопротивлением небольшой длины проводника, поэтому величина тока в теле птицы ничтожна и безвредна. Но если крупная птица, взлетая, коснется крылом металлической опоры линии за изолятором, ее тело станет участком цепи между линией и землей. Сопротивление в такой цепи значительно меньше, чем сопротивление всей линии, и птица будет мгновенно убита током. 8. ≈ 2∙ 10-7 К 9. 25 пФ 15. В особых случаях машины и измерительную аппаратуру ограждают со всех сторон прочной металлической сеткой, которую заземляют. 16. 0,95 А 17. а) Трубы закладывают в бетонированные траншеи, в которых обеспечена вентиляция. Поверхности труб изолируют. б) Суммарная сила тока блуждающих токов порядка нуля. 18. 1 кВ. Не касаться токоведущих проводов, контактов рубильников или кнопочных включателей. 19. 
А такая сила тока может оказаться смертельной. 21. Возникающий ток опасен, но не смертелен; все предохранительные щиты, металлические части электроустановок и оборудования, которые в результате повреждения изоляции могут оказаться под напряжением, заземляют для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. 22. С увеличением влажности электроемкость конденсатора возрастает, так как увеличивается диэлектрическая проницаемость среды.
Литература
Богданов в гостях у биолога. – Москва: Наука, 1986.
Большаков . Занимательные факты и тесты. – С.-Петербург: Паритет, 1999.
Енохович по физике. – Москва: Просвещение, 1990.
Ильченко физики, химии и биологии. – Москва: Просвещение, 1986.
Кац на уроках физики. – Москва, Просвещение, 1988.
, Пеннер задания по физике для 9 класса – Москва: Просвещение, 1983
Мезенцев . Популярная энциклопедия в 2-х томах. – Алма-Ата: Главная редакция казахской советской энциклопедии, 1990.
Вопросы и задачи по физике с производственным содержанием. – Москва: Высшая школа, 1987.
Рымкевич задач по физике. - Москва, Просвещение, 1988.
