知识背景
1775 年,英国医生布拉格登做了一个近乎冒险的实验:他和几位同伴走进一间被加热到 的房间,还带了一块生牛排。十几分钟后,牛排熟了,人却安然无恙——他们的体温只升高了不到一度。
为什么人能扛住比开水还高的空气温度?因为人体会大量出汗,汗液蒸发时吸收热量,把多余的热不断带走。这套本领让人类能在赤道和极地都生存,而蛇、蛙这类动物只能随环境温度变化而变化,天冷了就得躲起来休眠。
体温恒定是恒温动物的重要特征。杭州的七月伏旱可以连日 ,一月又会跌到 上下,人的体温却总在 附近。这一节就来看看,身体是如何把产热和散热这两笔账算平的。
知识讲解
恒温动物与变温动物
恒温动物(鸟类和哺乳类)的体温不随环境温度的变化而变化,能保持相对稳定;变温动物(鱼类、两栖类、爬行类等)的体温随环境温度改变。恒温动物的体温恒定,使它的新陈代谢和各种生理活动不受环境温度限制,因而活动范围和生存能力大大增强。
人的正常体温并不是精确的 ,而是一个范围,且随测量部位不同而不同:腋窝 至 ,口腔约比腋窝高 至 ,直肠(肛温)最高。同一个人一天之内体温也有小幅波动(清晨最低,午后至傍晚较高),运动、进食、情绪都会引起变化,但幅度通常不超过 。
产热与散热
体温恒定的实质是产热与散热保持动态平衡:
产热多于散热则体温上升,散热多于产热则体温下降。
产热:热量来自细胞中有机物的氧化放能。安静时主要产热器官是内脏(尤其肝脏);运动时主要产热器官是骨骼肌,剧烈运动时肌肉产热可达安静时的十几倍。寒冷时骨骼肌不自主地颤抖(打寒战)也是在增加产热。
散热:主要通过皮肤进行,方式有两类。
| 方式 | 机理 | 特点 |
|---|---|---|
| 直接散热(辐射、传导、对流) | 靠皮肤与外界的温度差 | 环境温度越低,散得越多 |
| 汗液蒸发散热 | 汗液变成水蒸气时吸热 | 环境温度接近或高于体温时的主要方式 |
皮肤是散热的主要器官,其调节靠血管口径和汗液分泌量两个「阀门」:
- 炎热时:皮肤血管扩张,流经皮肤的血流量增多,皮肤温度升高,直接散热增多;同时汗液大量分泌,蒸发散热显著增加。
- 寒冷时:皮肤血管收缩,血流量减少,皮肤温度下降,减少散热;汗液分泌减少甚至停止,同时靠寒战等方式增加产热。
体温的调节中枢
体温调节的中枢在脑(下丘脑),属于脑的功能之一。它接收来自皮肤和内脏温度感受器的信息,通过神经调节(控制血管口径、汗腺分泌、骨骼肌活动)和激素调节(如甲状腺激素促进新陈代谢增加产热)共同实现体温恒定。因此体温调节是神经调节与激素调节共同作用的结果。
实验与探究
用两支相同的温度计,探究蒸发能否降低温度。
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步骤:① 记录两支温度计的初始读数(应相同);② 给其中一支的玻璃泡包上蘸了水的棉花,另一支保持干燥作对照;③ 把两支温度计并排放在同一位置,用扇子以相同速度对着两支扇风;④ 每半分钟读数一次,记录 5 分钟。
现象:包湿棉花的那支读数明显下降,随后趋于稳定;干燥的那支读数几乎不变。
结论:水(汗液)蒸发时要吸收热量,能使物体温度降低,这正是人体炎热时的主要散热方式。
变量与延伸:唯一变量是棉花是否含水;扇风加快空气流动,使蒸发加快、降温更明显——这也解释了为什么出汗后吹风更凉快,以及为什么杭州梅雨季节湿度大时汗不易蒸发、人格外难受。
经典例题
小杭在体育课上跑了 800 米。跑步过程中他体温略有升高、满脸通红、大量出汗,跑完休息十分钟后体温恢复正常。请分析其中的产热与散热变化。
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第一步:分析产热。跑步时骨骼肌剧烈收缩,有机物氧化分解加快,产热量大幅增加,此时主要产热器官由内脏变为骨骼肌。
第二步:分析体温为何只是「略有升高」。产热骤增,若散热不变体温会明显上升;身体随即加大散热,故只轻微升高。
第三步:分析散热如何加大。① 皮肤血管扩张,血流量增多,脸色变红,直接散热增加;② 汗腺分泌大量汗液,蒸发吸热带走热量。
第四步:分析恢复过程。休息后骨骼肌产热回落,而散热仍在较高水平,于是散热大于产热,体温回降;当二者重新相等时,体温稳定在正常值。
答:运动时产热剧增,靠血管扩张与出汗加大散热来维持体温;休息后产热下降、散热仍旺,体温回落至恒定。整个过程体现了产热与散热的动态平衡。
难点与易错点
- 认为体温就是精确的 :体温是一个范围,且腋温、口腔温、肛温依次偏高,一天内也有小幅波动。
- 把「体温恒定」理解为一成不变:恒定是相对的,是产热与散热动态平衡的结果。
- 说恒温动物不需要散热:恒温动物的产热本来就多,越需要精细的散热调节。
- 忽略汗液蒸发的条件:只有汗液蒸发才吸热降温;流下来的汗珠没有蒸发,起不到降温作用,所以湿度大时更难受。
- 把血管口径变化说反:炎热时血管扩张(多散热),寒冷时血管收缩(少散热)。
- 认为体温调节只靠神经:体温调节中枢在脑,同时有甲状腺激素等参与,属神经与激素共同调节。
生活中的应用
- 夏天穿浅色宽松衣服:浅色反射阳光,宽松便于空气流通、汗液蒸发,散热更快。
- 杭州梅雨季节的「闷」:气温不算最高,但空气湿度大,汗液难以蒸发,蒸发散热受阻,所以格外难受。
- 发烧时用温水擦浴:水在皮肤表面蒸发吸热,可以物理降温;不要用酒精大面积擦拭婴幼儿。
- 电子体温计与耳温枪:几秒钟即可读数,测的部位不同,参考范围也不同,比较时要看同一部位。
生活应用题 1 · 体检时的两支体温计
小杭在学校用电子体温计测得腋温 ,同学用另一支测得口腔温 ,同学担心自己发烧了。请判断是否发烧,并说明理由。
分步解:
- 列出已知:腋温 ,正常范围约 至 ;口腔温 ,口腔温通常比腋温高 至 。
- 换算到同一部位比较:口腔温 相当于腋温约 。
- 与正常范围比较: 仍在 至 之内,与小杭的 几乎一致。
- 答:同学没有发烧。比较体温必须测同一部位,不同部位的读数不能直接相减判断,这是使用体温计的关键。
生活应用题 2 · 亚运场馆外的高温天
七月的杭州,某天气温高达 ,一位志愿者在场馆外站岗两小时后感到头晕、皮肤发烫但几乎不出汗。请分析他为什么危险,并说明正确的处理办法。
分步解:
- 比较温度:环境温度 高于体温 ,皮肤与外界的温度差为负,直接散热失效,甚至会从外界吸热。
- 判断唯一可用的散热途径:此时只能依靠汗液蒸发散热。
- 分析危险原因:他「几乎不出汗」,说明长时间出汗后体内水分和无机盐大量流失,汗腺分泌不足,蒸发散热这条唯一通路也快要中断,于是产热大于散热,体温将持续升高,属中暑的危险信号。
- 给出处理:立即移到阴凉通风处、松开衣物加快蒸发、用温水擦拭皮肤、少量多次补充含无机盐的淡盐水或运动饮料,症状严重时及时就医。
- 答:高温环境下散热只剩蒸发一途,一旦不出汗就极其危险。预防的关键是补水补盐、避免长时间暴晒、保证通风。
考点
- 简答题·高频:用「产热与散热的动态平衡」解释体温恒定
- 简答题·高频:炎热与寒冷时皮肤血管口径、汗液分泌量的变化及意义
- 选择题:恒温动物与变温动物的区别及体温恒定的意义
- 图表题:环境温度与产热量、散热量、体温关系曲线的分析
- 实验题:汗液(水)蒸发吸热的探究与变量控制
- 应用题·高频:中暑的原因与预防、发烧的物理降温、湿度对散热的影响
中考真题
在炎热的夏天,人体主要的散热方式和皮肤血管的变化分别是( )A. 直接散热;血管收缩 B. 汗液蒸发;血管扩张 C. 直接散热;血管扩张 D. 汗液蒸发;血管收缩
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第一步:判断散热方式。环境温度接近或高于体温时,皮肤与外界温度差很小,直接散热效果差,主要靠汗液蒸发散热。
第二步:判断血管变化。炎热时需要多散热,皮肤血管扩张,流经皮肤血流量增多,皮肤温度升高,有利于散热(这也是天热时脸红的原因)。
答案:B。
某人在 的环境中停留一段时间,出现皮肤苍白、起「鸡皮」、身体发抖的现象,体温仍维持在 左右。请解释每个现象的意义。
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第一步:解释皮肤苍白。寒冷刺激使皮肤血管收缩,流经皮肤的血流量减少,皮肤温度降低,与外界温度差减小,从而减少散热;血流少故显苍白。
第二步:解释起鸡皮。皮肤下的立毛肌收缩,减少皮肤表面空气流动,也有减少散热的作用。
第三步:解释发抖。骨骼肌不自主地颤抖,有机物氧化分解加快,增加产热。
第四步:说明结果。散热减少、产热增加,使产热量重新等于散热量,体温维持在 左右。
答:前两个现象是减少散热,第三个现象是增加产热,共同维持产热与散热的动态平衡。若长时间处于寒冷中且调节不足,体温将下降,可能发生冻伤或体温过低。