基于潜水员浮沉速度变化的研究

1、基于潜水员浮沉速度变化的研 究作者:日期:基于潜水员沉浮速度变化的研究山西省太原市实验中学高一年级 22 6班作者:赵培罡指导教师：王迎利摘要:潜水员在许多场合起到了重要作用。从理论上说，下潜要比上浮更困难，但实际往往上浮速度相对于下潜速度更慢，其主要原因是为了防止水压变化而引发潜水员血液中溶解的气体逸散，堵住血管及心脏瓣膜，避免潜水员死亡。我们可以简单地用可乐来解决这个现象。更重要的是，我们要掌握压力变化对生物体的影响，以更好地完成空间压力变化较大的科学研究。关键词：潜水员沉浮速度；减压舱；供血不足 ；空间压力。早在167 0年，英国科学家罗伯特波义尔在研究气压时，就想到压力变 化会对生物体

2、产生影响。他捉来一条蛭蛇，把它放在一个密封容器里，然后对 空气加压。他发现，当压力减小以后，蛇的视觉组织上出现一个小的空气泡。潜水技术出现后风靡一时，但不少潜水员在上浮阶段出现供血不足现象。后 来逐步发现，减慢上浮速度可以避免此现象发生。所以，研究压力作用在生物体 上对生物体产生哪些影响具有重要意义。水对某物体的压力大小决定于水深和密度，用公式可表示为p gh （p压 强；密度；g是物体所受重力与质量之比；卜水深）。压力会对任何生物体产生影 响，所以研究压力的大小与生物体的关系，对更好地完成宇宙空间和海底探秘 等压力变化较大的科学研究有重要意义。i潜水员沉浮速度变化的意义及研究价值国内外学者和

3、研究机构对“压力对生物体影响”这一课题进行了多次试验和总结。根据他们的数据，确定了深水潜水服钢板的厚度等。但真正下水后，水压极大，再厚的钢板也会发生微小的形变，所以在深水潜水时，深水潜水服内人体所受压力的大小会随着水压的变化而变化。根据p gh,我们可以发现，当水的密度不变且g不变时，水压与水深成正比。而水压的大小直接关系到人体所承 受的压力，如果潜水深度快速变化，人体所受压力也将急剧变化。水越深，人体 就会承受更大的压力。重要的是，氧气瓶内气体的气压相对改变量较身体内血 液压力相对改变量更大。一旦潜水深度快速改变，就会引发潜水员携带的气体密 度和气压的快速改变，但人体内的压力不会发生太大的改

4、变，潜水员体内的压 力会大于且接近一个大气压。由于任何物体流动都是由高压流向低压，这样 ，潜 水员吸入的是大于一个大气压的高压气体。压力快速改变的同时，血液溶解气体的溶解度也会急剧改变，极大地威胁着潜水员的生命安全。所以，只有减缓潜水 员和氧气瓶所受压力改变速度才能避免危险发生。而改变潜水员和氧气瓶所受 压力变化速度应使用两种方法：减慢潜水员潜水深度变化；制造减压舱。但 从本质上讲，不论是减压舱还是减缓上浮速度，都是为了控制潜水员身体所受压 力的快速变化对潜水员造成的影响。从这里我们可以看到，压力对生物体的影响巨大。但压力的改变是自然存在 的,所以我们应更好地掌握压力变化对生物体的影响，以更好

5、地完成压力变化较 大的科学研究。2潜水员上浮速度对身体产生影响的原因人呼吸的空气是混合气体，大气层中的空气在1个大气压下大约有78%的 氮，21%勺氧,0.94%的惰性气体，0.03%的二氧化碳以及0 .0 3%勺其他气体和杂质。这些气体进入肺部以后，氧气便进入到血小板中，通过血液流遍全身，供 给各个器官和组织。这种呼吸过程是在一个大气压力（10 1 .325千帕）的条件下 进行的。潜水员在潜水时，不论身体还是氧气瓶，都会受到强大的水压，他呼吸的是大于1个大气压的高压空气，且水深度越大，所呼吸的空气压力也越高。止匕时, 不仅是氧，氮气等其他气体也会进入血液。当潜水员上浮时 ，水压减小，他所呼

6、吸的空气压力也相应减小，血液里的氧气、氮气等就开始离开血液。如果他上 升得过快，气体突然释放，就会形成小气泡，像打开汽水瓶盖的情况一样。止匕时, 较大的气泡会威胁心脏瓣膜的活动，较小的气泡则会阻塞心脑血管，使潜水员出 现意外。为了防止意外发生，潜水员只能缓缓上升，每上升一段就停一停 ，以便让氮 气等从他们的身体组织流往血液，再从血液流入肺里，最后从肺细胞壁逸出体 外。这样，上升虽然是缓慢的，但却是保险的，氮气等气体完全被清除了，血液里 不会再有致命的气泡出现。3潜水员慢速上浮现象生活实例与实验可乐是常见的碳酸饮料。在瓶内的可乐液体中溶有大量的二氧化碳。当拧开瓶盖时,我们往往会听到“噗嗤” 一声

7、，此时溶解在可乐中的二氧化碳因为减压而大量逸散，甚至会喷涌而出。这是因为可乐瓶内正常情况下约为 0.9 1.6个大气压。当用力摇晃后，瓶内气压可以达到2 3个大气压。最大甚至 会达到4个大气压。当潜水员潜水时，携带的氧气瓶内的气体并非纯氧，其中掺有氮气等气体。在深水潜水时，水压较大，瓶内的气体必将大于一个标准大气压，这样潜水员吸入的就成了大于一个大气压的空气。自然，就会有其他气体融入血液。不断下 潜会使气体大量融入血液。一旦快速上浮，就像可乐瓶拧开盖子一样，溶解在血 液中的气体所受压力减小，气体大量逸散，威胁潜水员生命。下面我用可乐瓶做这个实验：实验名称：验证在高压条件下溶于液体的气体会在减压

8、时冒出所属课程名称：物理时间：2010-2-17实验目的：利用可乐瓶在减压时气体溢出证明高压条件下溶于液体的气体会在减压时冒出。实验原理：高压下溶于液体的气体会在解压时溢出实验器材：可乐实验步骤：i.将一瓶未开口的可乐瓶放在实验桌上11.用力摇晃这瓶可乐，放在实验桌上静置，待浮起的泡沫消失继续进行试验ii i.逐步打开可乐瓶盖，观察可乐表面的现象打开瓶子的一瞬间，有大量气体携带可乐流出，喷出可乐的高度最高约2 3cm,并没有快速喷起的迹象，观察到液体和泡沫的混合液顺着瓶口流出，基 本和用手挤压装满水的瓶子瓶里的水外溢的现象相似。iv.倒掉1 /3的可乐，再进行一次实验，观察现象打开瓶盖的一瞬间，瓶内的半桶可乐快速喷出，水柱高度约27cm。最后只剩 下约2/5的可乐，如上图所示。实验结果：高压条件下溶于液体的气体会在减压时快速逸散讨论:从这个实验可以看出，高压条件下溶于液体的气体会在减压时会快速 逸散，所以在某些空间压力较大的研究中，一定要考虑空间压力对生命体的影 响。结论:高压条件下溶于液体的气体会在减压时快速逸散4结语在潜水员上浮时,他们必须减慢上浮速度，出水时也需