3M science at home: how do we breathe?

一呼一吸

氧氣對人體極為重要,但你知道肺臟是怎麼幫助我們呼吸的嗎?

核心概念

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    生物學

     

  • the body icon
    人體

     

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    物理

     

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    氣壓

     


  • 簡介

    我們每天不斷地在呼吸,頻率是大約每分鐘呼吸10次!您是否有想過我們的呼吸過程為何能夠如此順暢?肺部讓我們吸入人體所需的氧氣,而且不只是這樣,它還能為我們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,我們一起來製造一個肺部模型,藉此觀察空氣如何輕易地出入肺臟。

  • 背景

    我們體內的所有細胞都需要氧氣,才能有效地產生能量。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。然而,呼吸是如何運作的呢?

    氣流通過我們的嘴或鼻子,沿著氣管,再分成兩條支氣管,進入左右兩邊肺臟;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。我們的肺臟有數百萬個肺泡!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的每個部位,然後又把二氧化碳帶回肺臟。

    我們胸部大部分的空間都被肺臟佔用。胸廓的12對肋骨用來保護肺臟和其他器官,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,進而填滿肺臟;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臟,使身體獲得更多氧氣供應,或者讓我們有更多的空氣來發出聲音。

  • 實驗準備

    • 請成年人把寶特瓶的底部剪開,把氣球放進寶特瓶內、掛在寶特瓶口時,氣球底部要預留有1/3 至3/4吋的空間。
    • 把寶特瓶放在桌上,瓶底的開口向下,將氣球從寶特瓶口放入瓶內,只有氣球的開口突出來。把氣球的開口摺起,包著寶特瓶口。這個氣球代表我們的肺臟。
    • 把寶特瓶反轉(氣球仍然在內),瓶子頂部放在桌上。接下來,我們要幫這個模型製作橫隔膜。
    • 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掉,形成一個很大的開口。
    • 把這個開口拉開,蓋住寶特瓶較大的開口。把氣球的邊緣往瓶身拉,讓氣球表面輕輕展開;記得要讓打的結朝外,而且位置就在寶特瓶開口的中間。
    • 像充氣的氣球,我們的肺臟也充滿了空氣。肺臟分左右兩邊,被胸廓包圍,並由24根肋骨保護著。當我們吸氣時,空氣會進入肺臟。寶特瓶內的氣球就像我們一邊的肺,而寶特瓶就像我們的胸廓。
  • 步驟

    • 拿起寶特瓶,我們可以看見裡面的氣球(代表肺臟)。然後輕輕把結向下拉。觀察寶特瓶內的氣球如何變化?
    • 輕輕把結放開,讓它回到原來的位置,然後把它輕輕向內推。寶特瓶內的氣球又如何變化?
    • 多重複以上步驟幾次。你覺得像我們的呼吸嗎?為什麼?
    • 哪部份像吸氣?哪部份又像呼氣呢?
    • 如果模型運作良好,當我們把結向外拉時,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。為什麼會這樣呢?
    • 當我們放輕鬆地呼吸,分隔著胸腔和腹腔的肌肉(橫隔膜)就會擴大或縮小胸腔。這跟我們在模型上做的動作有什麼相似的地方呢?
    • 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?
    • 試著深深吸氣,感受自己的肋骨,然後呼氣。您感覺到胸廓向外擴張和向下嗎?
    • 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。在我們做的模型裡,胸廓(即寶特瓶)是固定的,但我們可以比較用力的拉或推那塊「橫隔膜」。試一下,這樣是否會改變流入和流出氣球的空氣量呢?
    • 延伸實驗1:在模型加上氣管。把氣球從寶特瓶內取出來,把吸管放入氣球的開口內,然後用膠帶把氣球固定在吸管上。再把氣球連同小部份的吸管放入寶特瓶內,用黏土固定位置。請確定黏土確實包覆了吸管和氣球周圍,不會讓寶特瓶漏氣。底部的氣球則毋需更動。您知道模型的哪個部份代表氣管嗎?
    • 延伸實驗2: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,我們會做較深的呼吸,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。試試看,您能夠用模型來模仿咳嗽嗎?
    • 延伸實驗3:找個方法,製作具有一支氣管和兩個支氣管(每個支氣管附有肺部)的模型。帶有一支氣管和一個肺的模型是個好的開始。那麼,如何增加一個肺臟呢? 您知道擁有兩片肺臟(左右兩邊各一個)對我們有什麼益處嗎?
  • 觀察與結果

    當我們把結往後拉,寶特瓶裡的空間增加了,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。當我們把結往裡面推,寶特瓶內的空間減少,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。

    當我們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。

    這個情況是因為有氣壓(空氣擠壓物體的力量)的存在。當空氣所佔的空間減少,氣壓會增加,相反的,當空氣所佔的空間增加,氣壓就會減少。如果把空寶特瓶的瓶蓋扭緊,然後嘗試擠壓它;要把它壓扁很難!因為裡面的空氣會向外推(氣壓大) 。但如果打開寶特瓶,然後再次嘗試擠壓,這就容易得多了,因為空氣向外推的力量大大減小(氣壓較小)。除非遇到阻礙,否則空氣會從高壓區往壓力較低的地方移動,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,以平衡壓力的差距;呼氣時,胸腔和肺部收縮,肺部的氣壓增加,空氣就會跑出來。

    本實驗來自《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,請造訪「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項活動。