捐贈與義工精神
3M science at home: how do we breathe?

一呼一吸

氧氣對人體極為重要,但呼吸是怎樣的呢?

核心概念

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    生物學

     

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    人體

     

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    物理

     

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    氣壓

     


  • 簡介

    我們每天呼吸很多次,頻率大約每分鐘呼吸10次!您有否想過呼吸過程何以如此順暢?肺部讓我們吸入人體所需的氧氣,但用處不止於此,它還能清走人體內產生的廢物——二氧化碳,又讓大家能夠唱歌、大叫、甚至咯咯大笑。在這個活動裡,您要製造一個肺部模型,藉此觀察空氣如何輕易地出入肺部。

  • 背景

    我們體內的所有細胞都需要氧氣,有效地產生能量。但細胞產生能量時,會製造二氧化碳。我們吸入新鮮空氣來獲取氧氣,然後呼出用過的空氣以清除體內的二氧化碳。但是呼吸是如何運作呢?

    氣流通過我們的嘴或鼻子,沿著氣管流入,氣管首先會分成兩條支氣管,進入左右兩邊肺部;支氣管又會再分成許多越來越小的管道,這些管道的末端有微小的氣囊,稱為肺泡。我們的肺部有數百萬個肺泡!這些氣囊的壁膜很薄,薄至氧氣和二氧化碳都可以穿過,然後進入或離開血液。血液則把氧氣輸送到幾乎人體每個部位,然後又把二氧化碳帶回肺部。

    我們胸部大部分的空間都被肺部佔用。胸廓的12對肋骨用來保護肺部和其他器官,例如心臟。 我們不必細加思考,就能呼吸自如,因為這是個反射動作。當我們吸氣時,橫隔膜(即胸腔和腹腔之間的圓拱形肌肉)會變平,這樣胸腔會擴大,就可吸入空氣。呼氣時,橫隔膜放鬆,肺部自然收起,空氣被輕輕地擠出。

    我們也可以用力呼吸。當我們運動、大聲唱歌或需要更多空氣或氧氣時,會用力深呼吸。我們會使用不同的肌肉來大幅增加胸部的容量。與放鬆呼吸的方式一樣,胸腔擴張會吸入空氣,從而填滿肺部;胸腔鬆弛,就會把空氣排出來,肌肉還可以迫使胸腔進一步收縮,排出更多的空氣。在這種情況下,胸腔擴張和收縮的幅度較大,所以有更多的空氣流入和流出肺部,使身體獲得更多氧氣供應,或者令我們有更多的空氣來發出聲音。

  • 預備

    • 請成年人把膠樽的底部剪走,把氣球放進樽內、掛在樽口時,氣球底部要預留有1/3 至3/4吋的空間。
    • 把水樽放在桌上,底部闊的開口向下,將氣球從樽口放入水樽內,只有氣球的開口突出來。把氣球的開口摺起,包着水樽口。氣球代表我們的肺部。
    • 把水樽反轉(氣球仍然在內),水樽頂部放在桌上。以下的步驟,您會為模型製作和加上隔膜。
    • 在另一個氣球的開口打個結,然後把另一邊約三分之一個氣球剪走,造成一個很大的開口。
    • 把這個開口拉扯開,蓋着水樽那個闊大的開口。把氣球的邊緣往樽身拉高,令汽球表面輕輕舖開拉長;記住那個結應朝外,而且位置就在水樽開口的中間。
    • 像充氣的氣球,我們的肺部也充滿了空氣。肺部分左右兩邊,被胸廓包圍,並由24條肋骨保護着。當您吸氣時,氣流會進入肺部。水樽內的氣球就像您一邊的肺部,而水樽就像您的胸廓。
  • 步驟

    • 拿起水樽,您會見裡面的氣球(代表肺部)。然後輕輕把結向下拉扯。水樽內的氣球怎麼了?
    • 輕輕把結放開,讓它回到原來的位置,然後把它輕輕向內推。水樽內的氣球又怎麼了?
    • 重複以上步驟多幾次。像我們的呼吸嗎?為甚麼?
    • 哪部份像吸氣?哪部份又像呼氣呢?
    • 如果您的模型運作良好,當您把結向外拉時,空氣就會跑進氣球裡去;把結向內推的時候,空氣就會流出來。為甚麼會這樣呢?
    • 當我們放輕鬆地呼吸,分隔着胸腔和腹腔的肌肉,即橫隔膜會擴大或縮小胸腔。這跟您在模型上做的動作有甚麼相似的地方呢?
    • 把那個結多拉下或推進幾次。使用這個模型,您知道橫隔膜的哪些動作造成吸氣?哪些造成呼氣嗎?
    • 深呼吸,試感受自己的肋骨,然後呼氣。您感覺到胸廓向外擴張和退下嗎?
    • 當我們做深呼吸的時候,橫隔膜的中間部份移動得最多,幅度多達4吋。在您做的模型裡,胸廓(即膠樽)是固定,但您可以比較用力的拉或推那塊「橫隔膜」。試一下,那是否會改變流入和流出氣球的空氣量呢?
    • 額外實驗:在模型加上氣管。把氣球從水樽內取出來,把飲管放入氣球的開口內,然後用膠帶把氣球固定在飲管上。再把氣球連同小部份的飲管放入水樽內,用泥膠固定位置。請確定泥膠黏着覆蓋飲管和氣球周圍,令水樽不會漏氣。不用更改底部的氣球。您知道模型的哪個部份代表氣管嗎?
    • 額外實驗:當身體強行排出空氣,以消除引起刺激的物質,就是咳嗽了。咳嗽時,您會作較深的呼吸,但卻不讓空氣在胸腔收縮時流出,而是要關閉喉嚨,並在肺部積累空氣。當喉嚨張開時,胸部會收縮得更多,空氣會以有力的方式衝出來。您能夠用模型來模仿咳嗽嗎?
    • 額外實驗:找個方法,製作包括一支氣管和兩個支氣管(每個支氣管附有肺部)的模型。帶有一支氣管和一隻肺的模型是個好開始。那麼,如何增加一個肺部呢? 您知道擁有兩個肺部(左右兩邊各一個)對我們有甚麼益處嗎?
  • 觀察與結果

    當您把結往後拉,水樽裡的空間增加了,氣球也充滿空氣。同樣,當我們體內的橫隔膜向下移,胸腔的空間增加,空氣流進肺部,我們就吸入空氣。當您把結往裡面推,水樽內的空間減少,氣球變扁了。同樣道理,當橫隔膜放鬆,胸腔空間減少,空氣從肺部擠出來,我們就呼出空氣。

    當您把那個結用力往外拉或向內推,氣球會充氣和放氣多一點,這就與我們深呼吸的時候一樣,會有較大量的空氣進入或擠出。

    這動態是因為有氣壓,即空氣擠壓物體的力度。當空氣所佔的空間減少,氣壓增加,相反,當空氣所佔的空間增加,氣壓就會減少。把脆弱的空膠樽的蓋扭緊,然後嘗試擠壓它;要把它壓扁很難!因為裡面的空氣向外推。但如果打開水樽,然後再次嘗試擠壓,這就容易得多了,因為空氣向外推的力度大大減小。除非遇到甚麼阻礙,否則空氣會從高壓區移到壓力較低的地方,這就是空氣出入肺部的情況了。當胸腔擴大時,肺部周圍的空間多了,使肺部得以擴張,變成低壓區,空氣就會湧入,以抵銷壓力的差距;呼氣時,胸腔和肺部收縮,肺部的氣壓增加,空氣就會跑出來。

    此實驗來自《科學美國人》的「把科學帶回家」系列,並由3M科學家和合作夥伴主持。《科學美國人》准許複製由Science Buddies和Sabine De Branbandere創作的「我們如何呼吸」©2019。有關其他活動,請登入「將科學帶回家」。

  • 安全第一與成人監督

    • 請小心按照實驗說明進行操作。
    • 每個實驗應有負責監護的成年人協助。
    • 儘管在家裡進行科學實驗是令人興奮的學習和實踐科學的方法,但必須注意,有些實驗可能要求參與者採取額外的安全措施,以及/或者會把地方弄得髒亂。
    • 成年人應負責或協助處理可能有危險的材料或尖銳物品。
    • 在進行實驗前,成年人應檢視實驗內容,並決定學童的年齡是否適合參與該些活動。