Органы чувств как источник информации об окружающем мире

19

Степной травы пучок сухой,

Он и сухой благоухает!

И разом степи надо мной

Все обаянье воскрешает…

Аполлон Майкэв «Емшан»

ОРГАНЫ ЧУВСТВ КАК ИСТОЧНИК ИНФОРМАЦИИ ОБ ОКРУЖАЮЩЕМ МИРЕ

Рис.1. Мир, полный красок, звуков и запахов дарят нам наши органы чувств

Тезисы.

Данную методическую разработку «Органы чувств как источник информации об окружающем мире» можно использовать при изучении физики как базового уровня, так и профильного.

В работе доказано, что несмотря на ограниченный диапазон восприятия органов чувств, представленных соответствующими рисунками и таблицами, человек сумел определить структуру вещества и понять природу многочисленных эффектов вне этого диапазона. Полученные знания можно использовать для решения:

-практических задач повседневной жизни;

-обеспечения безопасности собственной жизни;

-рационального природопользования и охраны окружающей среды.

В ероятно, в первый период существования жизни на Земле наша планета представлялась живым существам совершенно темным беззвучным миром. Постепенно они научились ощущать запахи, вкус, тепло и холод, прикосновения, приобретя тем самым осязание, обоняние, вкус – первые внешние чувства. С их помощью древние организмы искали пищу, уходили от опасностей. Постепенно первым существам открывался мир красок и звуков. Животные приобретали защитную окраску, научились тихо подкрадываться к добыче или затаиваться от врага. Все совершеннее становилось их восприятие, все разнообразнее воспринимаемый ими мир живой природы.

Представим себе, что человек стоит на берегу моря. Ветер бросает ему в лицо соленые брызги. Перед ним – бескрайняя синева и золотое солнце (см. рис. 1).

Он слушает шум моря, вдыхает его неповторимый запах. Человек чувствует себя сильным и счастливым, ощущает каждый свой мускул, все свое тело, крепко стоящее на земле. В его мозге рождается единый образ – море, который он уже никогда не забудет.

1. ОРГАН ЗРЕНИЯ

Ч ерез орган зрения человек получает наибольший объем информации по сравнению с другими органами чувств. «Стянутая рыбачья сеть, закинутая на дно глазного бокала и ловящая солнечные лучи» - так представил мудрый грек Герофил сетчатку глаза. Сетчатка, как доказал ученый, - именно сеть и именно ловящая… отдельные, единые и неделимые кванты лучистой энергии Солнца. Квантовый характер поглощения и возникновения излучения установлен в настоящее время для всего диапазона электромагнитного спектра. Впервые гипотезу о возникновении излучения порциями энергии высказал в 1900г. ученый Планка (1858-1947 гг.) (рис. 2).

По чувствительности глаз приближается к идеальному физическому прибору, т.к. нельзя создать прибор, который зарегистрировал бы энергию меньше одного кванта.

Ε

Рис.2. Планк Макс

=h * ν,

где h – постоянная Планка, равная 6,624*10^-27 эрг*с

ν – частота излучения, с^-1

ν – частота излучения, с^-1

Этим уникальным свойством глаза воспользовались ученые – пионеры атомной и ядерной физики. Уже столетия наука изучает глаз, открывает все новые его свойства и тайны. Неразгаданной пока тайной, одной из самых трудных и неизученных проблем современной физиологии органов чувств является цветное зрение. Совершенно неизвестно, как мозг расшифровывает приходящие к нему сигналы о цвете.

Г

Рис.3. Глаз человека.

лаз - это сложная оптическая система (рис 3). Световые лучи попадают от о кружающих предметов в глаз через роговицу. Роговица в оптическом смысле - это сильная собирающая линза, которая фокусирует расходящиеся в разные стороны световые лучи. Причем оптическая сила роговицы не меняется и дает всегда постоянную степень преломления.

С клера является непрозрачной наружной оболочкой глаза, соответственно, она не принимает участия в проведении света внутрь

глаза.

Д

Рис.4. Оптика глаза.

оказано, что оптика глаза – всего лишь окно, в которое влетают кванты света; что сетчатка глаза и мозг делают полученное изображение четким, объемным, цветным и осмысленным (рис.4).

Н

Рис.50. Оптика глаза

о глаз человек не может воспринимать излучение сверх высокой интенсивности и различать короткие сигналы (длительностью до 0,05 с).

Принято считать, что средний человеческий глаз в средних условиях дневного освещения воспринимает чрезвычайно узкий (по сравнению со спектром возможных и злучений) диапазон длин волн: от 380 до 780 нм (1 нанометр = 10^-9м) или (0,38 ÷0,78 мкм).

Очень невелика и разрешающая способность глаза: минимальный размер объекта, различаемого глазом, оказывается порядка одного микрометра (10^-6м). Поэтому мир мы видим таким, каков он есть на самом деле, а новые методы и идеи физики, математики, химии, биологии – залог грядущих открытий в этой области.

4.2. ОРГАНЫ СЛУХА. ЗВУК. РЕЗОНАНСНАЯ ТЕОРИЯ СЛУХА

М ир наполнен самыми разнообразными звуками. Шум ветра и волн, раскаты грома и стрекотание кузнечиков, пение птиц и голоса людей, крики животных и звуки движения транспорта – все эти звуки улавливаются ушной раковиной и вызывают вибрацию барабанной перепонки (рис.5).

Ч

Рис.5. Строение уха

еловеческое ухо состоит из трёх частей: наружного, среднего и внутреннего, строение

каждого из которых, в

свою очередь, представляет довольно сложную систему. Давайте попробуем вместе разобраться в этом сложном процессе, который мы называем «слух».

С помощью ушной раковины мы определяем направление, откуда поступает звук. Наружный слуховой проход - это вытянутый канал, стенки которого продуцируют жидкую субстанцию, более известную нам как сера. Она предназначена для удаления инородных тел и предотвращения попадания различных насекомых за счет специфического запаха.

Из-за глубины наружного слухового прохода температура и влажность у барабанной перепонки сохраняются практически постоянными, а последняя сохраняет свою подвижность. В то же время барабанная перепонка хорошо защищена от любых повреждений (табл.5).

С

Таблица 5

луховой аппарат человека

Характеристика слухового аппарата человека	Значение
Частотный диапазон звуков, воспринимаемых ухом, Гц	16-20 до 20000
Частотный диапазон речи, Гц	1200-9000
Частота звуковых колебаний, к которым наиболее чувствительно ухо, Гц	1500-3000
Расстояние между правым и левым ухом у взрослого человека, см	около 18
Форма барабанной перепонки	Овальная
Косточки среднего уха:
Масса молоточка, мг	около 23
Масса наковальни, мг	около 25
Масса стремечка, мг	около 3
Площадь наружного отверстия слухового канала уха, см2	0,3-0,5
Площадь барабанной перепонки, см2	0,1

Через систему звуковых косточек среднего уха звуки превращаются в импульсы и передаются воспринимающим клеткам головного мозга (рис.6).

Как именно мозг расшифровывает эти импульсы и «узнает» звуки, ученым пока неясно.

Н

Рис.6. Передача звука клеткам головного мозга

о звуки, воспринимаемые человеческим ухом, являются важным источником

информации, позволяют легче

приспосабливаться к окружающему миру. Что такое звук, как он возникает,

распространяется, его параметры изучает специальный отдел физики – акустика.

З вук или звуковая волна может распространяться только в материальной среде, это упругая волна, вызывающая у человека слуховые ощущения. Более 20000 нитевидных рецепторных окончаний, находящихся во внутреннем ухе, преобразуют механические колебания в электрические импульсы, которые по 30000 волокон слухового нерва передаются в головной мозг человека и вызывают у него слуховые ощущения. Колебания воздуха с частотой от 16 Гц до 20 кГц в секунду мы слышим. 20000 колебаний в секунду – это самый высокий звук самого маленького деревянного инструмента в оркестре – флейты – пикколо, а 16 колебаниям соответствует звук самой низкой струны самого большого смычкового инструмента – контрабаса.

Колебания голосовых связок могут создать звуки в диапазоне от 80 до 1400 Гц (табл.6), хотя зафиксированы рекордно низкая (44 Гц) и высокая (2350 Гц) частоты.

Таблица 6

Диапазон частот, соответствующий голосу певца

Голос	Частота, Гц	Голос	Частота, Гц
Бас Б Баритон Б Тенор Т	80-400 110-400 150-500	контральто колоратурное сопрано	200-700 250-1400

Д оказано, что длина и натяжение голосовых связок определяет высоту голоса певца. У мужчин она составляет (18÷25) мм (бас – 25мм, тенор – 18мм), а у женщин – (15÷20) мм.

В телефоне, например, для воспроизведения голоса человека используется область частот от 300 Гц до 2 кГц. Диапазон частоты основных мод колебаний некоторых инструментов приведен на рисунке 53.

П

Рис.7. Диапазон частот струнных музыкальных инструментов

ервой подлинно научной теорией слуха была теория замечательного

немецкого естествоиспытателя, физика и физиолога Германа Гельмгольца (рис.7).

Ее называют резонансной теорией, она подтверждалась сотнями опытов, проведенными многими учеными. Но в последние годы, с помощью электронного микроскопа, обнаружились некоторые неточности этой теории, в частности, в восприятии высоких и низких звуков. Гельмгольца и итальянца Корти считают пионерами в изучении слуха, хотя они сделали лишь первые ш

Рис.8. Герман Гельмгольц

аги. За последние 100 лет пройден немалый путь к познанию науки о слухе, сейчас идет речь о том, чтобы ее

уточнять и развивать дальше.

Ведь любая научная теория обязательно должна развиваться, приносить людям новые факты. Таким образом, диапазон восприятия органов слуха ограничен небольшими пороговыми возможностями восприятия малой и большой интенсивности звука, а также малым частотным диапазоном воспринимаемых звуков.

1. ОРГАНЫ ЧУВСТВ КОЖИ

Удивительно приятно подставить лицо свежему ветру! На лице, губах есть множество специальных клеток, ощущающих и прохладу ветра и его давление. Кожа не только наша защита, но и огромный источник информации об окружающем нас мире, притом источник очень достоверный. Часто мы не верим ушам и глазам своим, а ощупываем предмет – хотим убедиться в том, что он есть, узнать, какой он на ощупь. Для всех этих ощущений есть специализированные клетки, неравномерно «разбросанные» по телу.

Ухо воспринимает только звук, глаз – свет, а кожа – прикосновение и давление, тепло и холод, и, наконец, боль. Главное кожное чувство – осязание, ощущение прикосновения. Кончик языка, губы и кончики пальцев обладают самой большой чувствительностью к давлению и прикосновению. Например, на коже кончиков пальцев ощущение прикосновения возникает при давлении всего лишь 0,028 – 0,170г на 1 мм² кожи. Не вся кожа чувствует прикосновение, а только отдельные ее точки, которых около полумиллиона. В каждой точке находится нервное окончание, поэтому даже ничтожное давление передается нерву, и мы ощущаем легкое прикосновение.

.

4 .3.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА

Электрическое сопротивление отдельных участков тканей зависит преимущественно от сопротивления слоя кожи. Через, кожу ток проходит, главным об­разом, по каналам потовых и, отчасти, сальных же­лез; сила тока зависит от толщины и состояния по­верхностного слоя кожи

Кожа — наружный покров тела. Ее площадь со­ставляет около 2м². Кожа состоит из трех основных слоев. Наружный слой — эпидермис — образован многослойной эпителиальной тканью, кото­рая постоянно слущивается и обновляется за счет размножения более глубоко расположенных клеток. Под слоем эпидермиса расположен слой соедини­тельной ткани — дерма. Здесь находятся многочис­ленные рецепторы, сальные и потовые железы, кор­ни волос, кровеносные сосуды и лимфатические со­суды. Самый глубокий слой - подкожная клетчатка - образован жировой тканью, которая служит «подушкой» для органов, изолирующим слоем, «складом» питательных веществ и энергии.

Основная функция кожи — защитная, предохра­нение от механических воздействий, препятствие по­паданию в организм посторонних веществ, болез­нетворных микробов.

Электрическое сопротивление человеческого тела определяется в основном сопротивлением поверхно­стного рогового слоя кожи — эпидермиса. Тонкая, нежная и особенно покрытая потом или увлажнен­ная кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса хорошо проводит электрический ток. Сухая, огрубевшая кожа является весьма пло­хим проводником. В зависимости от состояния кожи и пути тока, а также значения напряжения сопротив­ление тела человека составляет от 0,5—1 до 100 кОм.

4.4. ОРГАН ОБОНЯНИЯ Как можно описать запах свежести, как объяснить разницу между запахом розы и тухлого яйца? Описать можно, если сравнить его с другим знакомым запахом! Есть физические приборы для измерения силы тока и силы света, но нет меры, которой бы можно было определить и измерить силу запаха. Хотя такой прибор очень нужен и современной химии, и парфюмерии, и пищевой промышленности и многим другим отраслям науки и практики.

М ы удивительно мало знаем об естественном органе обоняния, о ргане, ловящем запахи (рис.56).

Н

Рис.9. Запах одеколона раздражает рецепторы обоняния, затем раздражение передается в мозг

ет до сих пор теории восприятия запаха, нет и закона. Пока есть только опыты и научные гипотезы, хотя самый первый шаг к познанию запаха был сделан 2 тыс. лет назад. Великий Лукреций Кар (рис.57) предложил объяснение чувству обоняния: всякое пахучее вещество испускает крошечные молекулы определенной формы.

В 1952г англичанин Джон Эмур сообщил

всему миру, что он отобрал семь «формочек»,

т.е. нашел семь «первичных запахов»:

к амфороподобный, мускусный, цветочный, мятный, эфирный, острый и гнилостный.

Удалось выяснить, какую форму и размер имеют молекулы, связывающие эти запахи.

Многочисленные эксперименты доказывают, что эта гипотеза, вероятно, правильна, но до превращения

ее в теорию запаха еще далеко.

В

Рис.10. Лукреций Кар

лабораториях ученых решается загадка запаха, тайна чувства обоняния. Решив ее, можно будет не только измерить запах вещества, но и сделать запахи по заказу. А пока известно, что органы

обоняния реагируют на некоторые газы, пары и их смеси в узком диапазоне концентрации.

4.5. ОРГАН ВКУСА

Вкус – понятие сложное, не только язык чувствует «вкусное». Вкус ароматной дыни зависит и от ее запаха. Осязательные клетки в полости рта обеспечивают новый оттенок вкуса, например, вяжущий вкус неспелых плодов.

Вкус во рту воспринимается вкусовыми луковицами – микроскопическими образованиями в слизистой оболочке языка. У человека во рту их несколько тысяч. Каждая луковица состоит из 10÷15 вкусовых клеток, расположенных в ней подобно долькам апельсина. Экспериментаторы научились регистрировать слабую биоэлектрическую реакцию отдельных вкусовых клеток, вводя в них тончайший микроэлектрод. Оказалось, что одни клетки реагируют сразу на несколько вкусов, а другие – только на какой-нибудь один. Н

Рис.11. Восприятие вкуса у человека разными областями языка

о неясно, как мозг разбирается в о всей этой массе импульсов, которые несут информацию о вкусе: горьком или сладком, горько-соленом или кисло-сладком. Первая классификация вкусов была предложена М. В. Ломоносовым. Он насчитал семь простых вкусов, из которых сейчас общепринято только четыре: сладкий, соленый, кислый и горький. Это простые, самые первичные вкусы, у них нет никакого привкуса. Разные области языка у человека по-разному ощущают вкус (рис.58). На кончике языка находится скопление «сладких» луковиц, поэтому сладкое мороженое надо пробовать кончиком языка. За кислоту отвечает задний край языка, а за соленое – передний его край. Горькую редьку чувствует задняя стенка языка. Но вкус пищи мы ощущаем всем языком. Вместе с горьким лекарством врач приписывает еще какое-нибудь другое, которое отбивает неприятный вкус, т.к. из двух вкусов можно получить третий, не похожий ни на тот, ни на другой. Важнейшая проблема науки о вкусе состоит в отыскании взаимосвязи между молекулярной структурой вкусовой клетки, физико-химической природой вещества и самим вкусом. И на вопрос: «Чем же ограничен диапазон восприятия органа вкуса?» можно ответить, что для него характер на чувствительность только к ограниченному набору веществ и химических соединений, которые потребляет организм человека. Но человек – биологическое существо, все его органы чувств формировались в течение длительной эволюции. Поэтому диапазон их восприятия был достаточным для а

жизни в земных условиях. Но узкий диапазон восприятия органов чувств по сравнению с многообразием природных

информационных сигналов всегда был тормозом в развитии научных представлений об окружающем мире.

даптации к жизни в земных условиях. Но узкий диапазон восприятия органов чувств по сравнению с многообразием природных информационных сигналов всегда был тормозом в развитии научных представлений об окружающем мире.

4.6. ОРГАНЫ ЧУВСТВ И ПРОЦЕСС ПОЗНАНИЯ Человек получает от каждого органа чувств ограниченный объем информации. Поэтому процесс познания окружающего мира можно сравнить с ситуацией, которая возникла в притче о пяти слепых, каждый из которых пытался представить себе, что такое слон.

Первый слепой взобрался на спину слона и считал, что это стена. Второй, ощупывая ногу слона, решил, что это колонна. Третий взял в руки хобот и принял его за трубу. Слепой, который дотронулся до бивня, подумал, что это сабля. А последнему, поглаживающему хвост слона, показалось, что это веревка.

Так и недостаток восприятий чувств должен был привести к противоречивым и неоднозначным представлениям о структуре окружающего мира. Жизненный опыт оказывается недостаточным при изучении явлений, определяемых временными интервалами и пространственными размерами, которые недоступны для наблюдения. В таких условиях дополнительная информация получается экспериментальными установками, с помощью которых можно расширить диапазон принимаемых сигналов, и парадоксальными физическими теориями, описывающими основные закономерности физических явлений. И, несмотря на ограниченный диапазон восприятия органов чувств, человек сумел определить структуру вещества и понять природу многочисленных эффектов вне этого диапазона.