从CO2含量与人体关系看教学作息制度的合理性
北京大学附属中学高三一班　季威

　　一、前言

　　空气是人们赖以生存的气体．空气的质量如何直接关系到人们能否进行正常的生理活动．在北方的秋、冬、春三季，由于气温较低，同学们在教室内上课时，往往是门窗紧闭，若长时间这样使用教室，有可能导致空气中的CO2含量严重超过正常值，使人们的代谢活动受阻，而影响正常的生理活动(如脑活动)，从而使同学们的听课效率降低．本文将通过对教室内CO2含量的分析和计算，讨论学校教学作息制度的合理性，并对其提出某些改进建议．

　　二、关于教室空气中CO2和O2的含量和人体呼吸情况

　　1．关于教室：

　　以北大附中高中楼为例，有以下数据：

　　从有关手册中查得如下数据：

　　
　　3．关于呼吸：

　　通常人体呼进的气体构成和大气相同，而呼出的气体经分析为CO2占4—4.48％，O2占15.20％，其余为N2，H2O和少量其它气体．(要指出的是：随着人体吸入气体构成的变化，呼出的气体也会相应变化，同时呼吸的频率也会相应加快，以满足代谢的需要)①．在平静状态下，人体正常的气体交换量为500ml/次，呼吸频率为20次/分．又经测量，上课时同学们的鼻腔距离地面的高度在0.8—1.0m之间．根据有关资料，通过推算可知，当人体吸入的空气中CO2含量达到6％(体积分数)②(即当人体无法通过自身调节满足代谢需要的程度)时，人体就会感到不适，出现注意力和想象力障碍等现象，从而使学习和工作的效率降低．所以，为使出现这种情况的可能减小到最小，则教室内的CO2含量不宜超过6％．

　　三、关于CO2含量和教室使用时间的关系

　　设教室面积为S，呼吸一次的气体交换量为V，频率为f，教室中的人数为n，一节课的时间为t0，教室的使用时间为t，并引入如下概念：

　　1．呼吸区：已知，上课时同学们的鼻腔距地高度在0.8—1.0m之间，在这一高度上下可以有效地和人体进行气体交换的区域，即被称作呼吸区．

　　2．H呼：即呼吸区的高度．由于在呼吸区内空气受到呼吸扰动，使其中的CO2难以向底层沉积；又由于CO2的密度几乎为空气的1.5倍，且所受的扰动中使其向上运动的趋势很小，所以其不会向呼吸区以上的气层扩散．通过使用由灵敏气流计和一气体收集装置组成的简易装置测定，呼吸区的范围为0.3—1.2m．

　　3．Hco2：即将教室内所有CO2集中后充入一与教室等面积的空间，所形成的不扩散的CO2层的高度，并相应用Sco2，Vco2表示CO2层的面积和体积．

　　所以Hco2=6％H呼即可表示在呼吸区的空气中CO2的体积分数为6％．

　　通过以上分析，教室内CO2含量和教室的使用时间可通过以下方法进行计算：

　　1．连续密闭使用：③

　　③在考虑教室体积时应将人和物的体积考虑在内，但这一体积不多于2m3，与呼吸区高度测量误差所带来的偏差相比可以忽略不计．

　　在教室连续密闭使用的情况下有：
　　　　

　　将V0=500ml，n=50，f =20分钟-1，S教=40.5m2代入上式，并利用Hco2=6％H呼可以求得t=5859s=98分钟，即为连续密闭使用教室的极限时间…………A．

　　2．若课间开窗10分钟：

　　由于窗户距离地面的高度高于呼吸区下限距离地面的高度，所以在高压气流的作用下，窗户以下的气体很难和外界进行气体交换，所以近似认为窗户以下的气体在开窗时不和外界气体进行气体交换④，而后10分钟，6扇窗户的总气体交换量为：

　　V＝t1×S1×Vw=600×3.15×1.4

　　=2646＞40.5×3.5=141.8＞V呼

　　其中t1为通风时间，S1为窗户的总面积，Vw为风速(取1—2级风力时的平均风速Vw=1.4ms-1)⑤，V呼为呼吸区气体体积，所以在10分钟内，窗户以上的气体可以被交换为清新的空气．通过理论推算⑥和后面的实验测算得到：一次通风后剩余的CO2是原来的5/9………B.

　　设：X=[(t－45)/55]+1，它表示在时间t内可以上时间长为45分钟的课的节数．则有：

　　　　
　　=S教·H呼×6％=40.5×0.9×6％=2.187

　　求这个超越方程的近似解，并将近似解取整得到：X=3或4．即：在课间使用10分钟进行气体交换时，连续使用教室的时间最多为4课时．

　　3．开门通风换气：

　　当教室开门时，通风换气的体积可以用以下公式进行计算：

V=t2·S2·Vw

　　其中，t2为通风时间，S2为门的面积，Vw为风速，V为从门进入教室的气体体积．由于门的面积大，且室外气体可以和底层气体进行气体交换，所以，以门的面积估算：在门和窗户同时开时：

　　
　　=40.5×(1.4×1.0)-1=29s＜1分钟

　　其中H窗为窗户距离地面的高度，D门为门的宽度．

　　考虑到教学楼内气流对Vw=1.4ms-1的影响，所以还有结论：敞开门2分钟对延长教室的使用时间是十分有效的．⑦

　　四、结论A，B的验证

　　根据“三”中关系，特以酚酞，溴甲酚绿为指示剂，以酸碱滴定法测定CO2的含量，来验证关系“A”和“B”，并且做了对照实验以验证各数据的差异确系CO2所为，由于篇幅有限只列出主要数据(见表3)．

　　

　　由表3数据可以看出，在结论“A”的验证实验中，100分钟后二氧化碳的体积分数为6.68％，与理论值基本相符；在结论“B”的验证实验中，开窗10分钟和20分钟后测得的二氧化碳相对体积分数均与5/9的理论值基本相符，所以在“三”中的猜想及推理于取值的允许范围内成立．

　　五、结论与建议

　　通过以上的计算和分析，我们可以得出如下结论：

　　1．教室连续使用时间不应超过100分钟．

　　2．在课间休息十分钟的情况下，连续使用教室的时间至多为4课时．

　　3．敞开门2分钟对保证教室的空气质量，延长教室的使用时间都是十分有效的．

　　根据以上得出的结论，我们可以看出，当前学校的教学作息时间有其合理的地方，但我认为其中还存在一些不合理之处：如过多的时间封闭使用教室，过少的室外活动等等，加之，我们对课间必要的开窗开门又不够重视，导致了许多同学时常感到头晕等缺氧反应．为了解决这一问题，本人现提出以下建议：

　　1．上长课或进行长时间测验的做法应该杜绝，若必须这样做，则应时刻保持室内通风良好．

　　2．在第二节课后安排课间操是十分科学的，我们不但要积极地到室外进行锻炼，还要利用这一时间开门通风，以保证后两节课的空气质量．

　　3．若中午有许多人只在教室中活动，则下午的空气质量可能会较大幅度的下降，因此建议应鼓励同学们中午多到室外活动，或开窗开门一段时间，并且体育课等室外课最好安排在上午或下午的晚些时候进行．

　　六、尾声

　　做为一名高三的毕业生，对于复习的紧张我是深有体会的，但是，一个良好的环境对学习的帮助我的体会更深．我谨希望通过我的计算和得出的结论能为改善我们的空气质量有所帮助．人人关心环境，人人创造好的环境，合理调配教学作息时间，使我们每一个人生活在良好的环境之中，都能以最佳的状态投身于紧张的学习和工作之中．我想，这不仅是我的愿望，也是每一个人的愿望．

　　【参考书】

　　1．《名师启迪丛书·高中生物学习指要》朱正威著，科学出版社，1994．

　　2．《文汇探索丛书·化学之迷》王一川编，文汇出版社，1998．

　　3．《理科年表》东京天文台编纂，丸善株式会社，1986．

　　4．《大学物理学》(第一册)F·W·SEARS等著，郭泰远等译，人民教育出版社，1981．

　　本文获第一届北京市中学生数学知识应用论文一等奖．

摘自《中山教育信息网》