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3M science at home: how do we breathe?

一呼一吸

氧气对人体极为重要,但呼吸是怎样的呢?

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关键概念

  • biology icon
    生物学

     

  • the body icon
    人体

     

  • Physics icon
    物理

     

  • Air pressure icon
    气压

     


  • 介绍

    我们每天呼吸很多次,频率大约每分钟呼吸10次!您有否想过呼吸过程何以如此顺畅?肺部让我们吸入人体所需的氧气,但用处不止于此,它还能清走人体内产生的废物——二氧化碳,又让大家能够唱歌、大叫、甚至咯咯大笑。在这个活动里,您要制造一个肺部模型,借此观察空气如何轻易地出入肺部。

  • 背景

    我们体内的所有细胞都需要氧气,有效地产生能量。但细胞产生能量时,会制造二氧化碳。我们吸入新鲜空气来获取氧气,然后呼出用过的空气以清除体内的二氧化碳。但是呼吸是如何运作呢?

    气流通过我们的嘴或鼻子,沿着气管流入,气管首先会分成两条支气管,进入左右两边肺部;支气管又会再分成许多越来越小的管道,这些管道的末端有微小的气囊,称为肺泡。我们的肺部有数百万个肺泡!这些气囊的壁膜很薄,薄至氧气和二氧化碳都可以穿过,然后进入或离开血液。血液则把氧气输送到几乎人体每个部位,然后又把二氧化碳带回肺部。

    我们胸部大部分的空间都被肺部占用。胸廓的12对肋骨用来保护肺部和其他器官,例如心脏。我们不必细加思考,就能呼吸自如,因为这是个反射动作。当我们吸气时,横隔膜(即胸腔和腹腔之间的圆拱形肌肉)会变平,这样胸腔会扩大,就可吸入空气。呼气时,横隔膜放松,肺部自然收起,空气被轻轻地挤出。

    我们也可以用力呼吸。当我们运动、大声唱歌或需要更多空气或氧气时,会用力深呼吸。我们会使用不同的肌肉来大幅增加胸部的容量。与放松呼吸的方式一样,胸腔扩张会吸入空气,从而填满肺部;胸腔松弛,就会把空气排出来,肌肉还可以迫使胸腔进一步收缩,排出更多的空气。在这种情况下,胸腔扩张和收缩的幅度较大,所以有更多的空气流入和流出肺部,使身体获得更多氧气供应,或者令我们有更多的空气来发出声音。

  • 预备

    • 请大人把水瓶的底部剪走,把气球放进瓶内、挂在瓶口时,气球底部要预留有1/3 至3/4吋的空间。
    • 把水瓶放在桌上,底部阔的开口向下,将气球从瓶口放入内,​​只有气球的开口突出来。把气球的开口折起,包着水瓶口。气球代表我们的肺部。
    • 把把水瓶反转(气球仍然在内),水瓶顶部放在桌上。以下的步骤,您会为模型制作和加上隔膜。
    • 在另一个气球的开口打个结,然后把另一边约三分之一个气球剪走,造成一个很大的开口。
    • 把这个开口拉扯开,盖着水瓶那个阔大的开口。把气球的边缘往瓶身拉高,令汽球表面轻轻铺开拉长;记住那个结应朝外,而且位置就在水瓶开口的中间。
    • 像充气的气球,我们的肺部也充满了空气。肺部分左右两边,被胸廓包围,并由24条肋骨保护着。当您吸气时,气流会进入肺部。水瓶内的气球就像您一边的肺部,而水瓶就像您的胸廓。
  • 步骤

    • 拿起水瓶,您会见里面的气球(代表肺部)。然后轻轻把结向下拉扯。水瓶内的气球怎么了?
    • 轻轻把结放开,让它回到原来的位置,然后把它轻轻向内推。水瓶内的气球又怎么了?
    • 重复以上步骤多几次。像我们的呼吸吗?为什么?
    • 哪部份像吸气?哪部份又像呼气呢?
    • 如果您的模型运作良好,当您把结向外拉时,空气就会跑进气球里去;把结向内推的时候,空气就会流出来。为什么会这样呢?
    • 当我们放轻松地呼吸,分隔着胸腔和腹腔的肌肉,即横隔膜会扩大或缩小胸腔。这跟您在模型上做的动作有什么相似的地方呢?
    • 把那个结多拉下或推进几次。使用这个模型,您知道横隔膜的哪些动作造成吸气?哪些造成呼气吗?
    • 深呼吸,试感受自己的肋骨,然后呼气。您感觉到胸廓向外扩张和退下吗?
    • 当我们做深呼吸的时候,横隔膜的中间部份移动得最多,幅度多达4吋。在您做的模型里,胸廓(即胶樽)是固定,但您可以比较用力的拉或推那块「横隔膜」。试一下,那是否会改变流入和流出气球的空气量呢?
    • 额外实验:在模型加上气管。把气球从水瓶内取出来,把饮管放入气球的开口内,然后用胶带把气球固定在饮管上。再把气球连同小部份的饮管放入水瓶内,​​用泥胶固定位置。请确定泥胶黏着覆盖饮管和气球周围,令水瓶不会漏气。不用更改底部的气球。您知道模型的哪个部份代表气管吗?
    • 额外实验:当身体强行排出空气,以消除引起刺激的物质,就是咳嗽了。咳嗽时,您会作较深的呼吸,但却不让空气在胸腔收缩时流出,而是要关闭喉咙,并在肺部积累空气。当喉咙张开时,胸部会收缩得更多,空气会以有力的方式冲出来。您能够用模型来模仿咳嗽吗?
    • 额外实验:找个方法,制作包括一支气管和两个支气管(每个支气管附有肺部)的模型。带有一支气管和一只肺的模型是个好开始。那么,如何增加一个肺部呢? 您知道拥有两个肺部(左右两边各一个)对我们有什么益处吗?
  • 观察与结果

    当您把结往后拉,水瓶里的空间增加了,气球也充满空气。同样,当我们体内的横隔膜向下移,胸腔的空间增加,空气流进肺部,我们就吸入空气。当您把结往里面推,水瓶内的空间减少,气球变扁了。同样道理,当横隔膜放松,胸腔空间减少,空气从肺部挤出来,我们就呼出空气。

    当您把那个结用力往外拉或向内推,气球会充气和放气多一点,这就与我们深呼吸的时候一样,会有较大量的空气进入或挤出。

    这动态是因为有气压,即空气挤压物体的力度。当空气所占的空间减少,气压增加,相反,当空气所占的空间增加,气压就会减少。把脆弱的空胶樽的盖扭紧,然后尝试挤压它;要把它压扁很难!因为里面的空气向外推。但如果打开水瓶,然后再次尝试挤压,这就容易得多了,因为空气向外推的力度大大减小。除非遇到什么阻碍,否则空气会从高压区移到压力较低的地方,这就是空气出入肺部的情况了。当胸腔扩大时,肺部周围的空间多了,使肺部得以扩张,变成低压区,空气就会涌入,以抵销压力的差距;呼气时,胸腔和肺部收缩,肺部的气压增加,空气就会跑出来。

    此实验来自《科学美国人》的「把科学带回家」系列,并由3M科学家和合作伙伴主持。 《科学美国人》准许复制由Science Buddies和Sabine De Branbandere创作的「我们如何呼吸」©2019。

  • 安全第一与成人监督

    • 请小心按照实验说明进行操作。
    • 每个实验应有负责监护的成年人协助。
    • 尽管在家里进行科学实验是令人兴奋的学习和实践科学的方法,但必须注意,有些实验可能要求参与者采取额外的安全措施,以及/或者会把地方弄得脏乱。
    • 成年人应负责或协助处理可能有危险的材料或尖锐物品。
    • 在进行实验前,成年人应检视实验内容,并决定学童的年龄是否适合参与该些活动。