Міністерство охорони здоров’я України

Івано-Франківський національний медичний університет

Кафедра медичної інформатики, медичної та біологічної фізики

Біофізика

Методичні вказівки і контрольні завдання

Для студентів фармацевтичного факультету

Заочної форми навчання

ЗМІСТ

Загальні зауваження ……………………………	4
Програма ..............................................................	5
Основні формули ................................................	9
Зразки розв’язку типових задач ........................	22
Задачі для самостійного розв’язку і контрольної роботи	34
Розподіл завдань за варіантами контрольної роботи	77
Орієнтовний перелік екзаменаційних питань ..	80
Список рекомендованої літератури ..................	84
Додаток ................................................................	85

Загальні зауваження

Для студента-заочника основною формою навчання є самостійна робота над навчальним матеріалом. Така робота включає самостійне засвоєння відповідного теоретичного матеріалу за підручниками згідно з теоретичними питаннями програми дисципліни та складання конспекту, в якому слід коротко описати фізичні явища, сформулювати закони, написати відповідні формули і визначення фізичних величин.

Після засвоєння теоретичного матеріалу слід отримати навички з розв’язування задач. З метою полегшення цього процесу в методичних вказівках наведено зразки розв’язування типових задач, аналогічних включеним у завдання контрольної роботи.

Другим етапом вивчення дисципліни є самостійне виконання студентом-заочником контрольної роботи, здача заліку та іспиту.

Студент виконує варіант контрольної роботи, номер якого співпадає з двома останніми цифрами номера залікової книжки (див. с.65-67). При виконанні і оформленні контрольної роботи необхідно дотримуватись нижче вказаних правил:

1. Робота виконується в окремому зошиті.

2. На обкладинці зошита повинні бути чітко написані: прізвище студента (в називному відмінку) та ініціали, номер академічної групи, номер залікової книжки, назва дисципліни.

3. В роботу повинні бути включені всі задачі відповідного варіанту.

4. Перед розв’язком кожної задачі потрібно повністю переписати умову.

5. Послідовність розв’язку (запису) задач визначається порядком, вказаним у варіанті контрольної роботи методичної вказівки. Слід зберігати нумерацію задач.

6. Розв’язки задач повинні містити пояснення ходу розв’язку. Після одержання робочої формули і перевірки розмірності шуканої величини знайти її числове значення і написати відповідь. При необхідності розв’язок супроводжують малюнками.

Контрольна робота, виконана без дотримання вище вказаних правил, або така, що містить значну кількість помилок, до захисту не допускається і повертається студенту для повторного виконання.

Робота допущена до захисту студенту не повертається.

П Р О Г Р А М А

Біологічна фізика, її предмет та методи досліджень, зв’язок з іншими науками. Основні розділи біофізики. Значення біофізики для фармації.

Основи біомеханіки і біоакустики

Абсолютно тверде тіло. Центр мас. Обертальний рух абсолютно твердого тіла. Момент інерції матеріальної точки і твердого тіла та його обчислення. Теорема Штейнера. Момент сил та основні рівняння динаміки обертального руху абсолютно твердого тіла. Закон збереження моменту імпульсу. Робота та кінетична енергія при обертальному русі.

Диференціальні рівняння гармонічних, затухаючих і вимушених коливань та їх розв’язки. Декремент і логарифмічний декремент затухання. Резонанс. Автоколивання.

Хвильові процеси та їх характеристики. Рівняння хвилі. Потік енергії. Вектор Умова. Ефект Доплера.

Об’єктивні та суб’єктивні характеристики звуку. Інтенсивність, рівень інтенсивності, гучність, їх одиниці вимірювання. Закон Вебера-Фехнера. Біофізичні основи слухового відчуття. Аудіометрія. Фізичні основи звукових методів дослідження.

Ультразвук та інфразвук. Джерела та приймачі ультразвуку та інфразвуку. Особливості поширення та біофізичні основи дії ультразвуку та інфразвуку на біологічні тканини. Використання ультразвуку в фармації.

Елементи молекулярної біофізики

Фізичні передумови явищ переносу. Дифузія. Рівняння Фіка. Коефіцієнт дифузії та його залежність від температури газів. Перенос імпульсу. Рівняння Ньютона. Коефіцієнт в’язкості. Теплопровідність. Рівняння Фур’є. Коефіцієнт теплопровідності. Зв’язок між коефіцієнтами переносу. Реальні гази. Рівняння Ван-дер-Ваальса та фізичний зміст коефіцієнтів у цьому рівнянні. Критичний стан речовини та критичні параметри. Внутрішня енергія реальних газів.

Будова твердих тіл. Теплоємність твердих тіл. Закон Дюлонга і Пті. Теплове розширення твердих тіл. Випаровування і конденсація. Плавлення і кристалізація. Залежність температури фазового переходу від тиску. Діаграми станів. Аморфні тіла.

Механічні властивості твердих тіл. Деформації. Закон Гука, модуль Юнга і коефіцієнт Пуассона. Діаграма деформацій. Деформаційні властивості біологічних тканин.

Міжмолекулярні взаємодії у біополімерах (ковалентна взаємодія, електростатичні і дисперсійні взаємодії, гідрофобні взаємодії, водневі зв’язки). Структурна організація білків і нуклеїнових кислот.

Загальні властивості та особливості будови рідин. Внутрішнє тертя, в’язкість. Формула Ньютона для сили внутрішнього тертя. Ньютонівські та неньютонівські рідини. Реологічні властивості крові. Методи та прилади для вимірювання в’язкості рідин.

Поверхневий натяг. Коефіцієнт поверхневого натягу та методи його визначення. Поверхнево активні речовини та їх роль у фармації.

Стаціонарний плин рідини. Лінійна та об’ємна швидкості. Рівняння неперервності і рівняння Бернуллі. Плин в’язкої рідини. Формули Пуазейля і Гагена-Пуазейля. Гідравлічний опір. Ламінарний і турбулентний плин рідини. Число Рейнольдса. Пульсові хвилі. Метод вимірювання тиску крові.

Термодинаміка

Основні визначення термодинаміки. Теплота, робота і внутрішня енергія речовини. Внутрішня енергія ідеального газу. Перше начало термодинаміки. Теплові процеси в ідеальних газах. Співвідношення Майєра. Оборотні і необоротні процеси. Друге начало термодинаміки. Ентропія. Термодинамічні функції (внутрішня енергія, ентропія, вільна енергія, ентальпія).

Елементи термодинаміки відкритих систем поблизу стану рівноваги (Виробництво ентропії, стаціонарний стан, теорема Пригожина).

Основи електродинаміки

Поняття про електрографію органів і тканин. Фізичні та біофізичні основи електрокардіографії. Перша концепція Ейнтховена про генез ЕКГ (серце – електричний диполь, потенціал електричного диполя, система відведень).

Електричний диполь та його електричне поле. Поведінка диполя в однорідному електричному полі. Дипольні моменти молекул. Поляризація діелектриків. Полярні і неполярні діелектрики. П’зоелектричний ефект.

Електропровідність тканин організму для постійного струму. Фізичні та біофізичні процеси, які відбуваються у тканинах організму під дією постійного електричного поля. Методи гальванізації і електрофорезу.

Магнітний момент рамки зі струмом. Магнітні моменти електрона і атома. Парамагнетизм. Діамагнетизм. Феромагнетизм.

Електропровідність тканин організму для змінного струму. Ємнісні властивості та імпеданс тканин організму. Дисперсія імпедансу. Еквівалентні електричні схеми біологічних тканин. Фізичні основи реографії.

Фізичні та біофізичні процеси, які відбуваються у тканинах організму під дією змінного електричного поля.

Фізичні основи магнітобіології. Дія постійного і змінного магнітних полів на тканини організму (первинні механізми, індукційні струми, теплові ефекти).

Електромагнітні коливання. Енергія магнітного поля. Густина енергії. Електромагнітні хвилі. Швидкість поширення електромагнітних хвиль та показник заломлення. Енергія електромагнітних хвиль. Вектор Пойтінга та інтенсивність.

Електромагнітні коливання і хвилі у біологічних середовищах. Дія електромагнітного поля на тканини організму (первинні механізми, теплові ефекти).

Біофізика мембранних процесів

Структурні елементи біологічних мембран та їх фізико-хімічні властивості. Модельні мембрани.

Пасивний транспорт речовин крізь мембранні структури. Рівняння Фіка. Коефіцієнт проникливості мембран.

Активний транспорт. Молекулярна організація активного транспорту на прикладі роботи Na⁺ - K⁺ - насосу.

Природа мембранного потенціалу спокою (рівноважний потенціал Нернста, стаціонарний потенціал Гольдмана-Ходжкіна-Катца).

Потенціал дії та причини його виникнення. Феноменологічні рівняння Ходжкіна-Хакслі. Поняття про зворотні іонні струми. Рівняння Ходжкіна-Хакслі для процесу розповсюдження потенціалу дії у нервових волокнах. Швидкість розповсюдження потенціалу дії.

Хвильова та геометрична оптика

Шкала електромагнітних хвиль. Світло як електромагнітна хвиля. Заломлення та відбивання світлових хвиль. Повне внутрішнє відбивання. Лінзи та їх різновиди. Аберації лінз. Фокусна відстань та оптична сила лінзи. Формула тонкої лінзи. Оптичні прилади, їх збільшення та роздільна здатність. Центрована оптична система. Оптична мікроскопія. Основні характеристики мікроскопа. Інтерференція світла. Умови мінімумів і максимумів. Дифракція світла. Дифракційна решітка та її роздільна здатність.

Оптичні методи дослідження

Поляризація світла. Способи поляризації світла. Подвійне променезаломлення. Призма Ніколя. Закон Малюса. Оптично активні речовини. Закон Біо. Концентраційна поляриметрія.

Поглинання світла. Закон Бугера. Поглинання світла розчинами. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Концентраційна колориметрія.

Розсіювання світла дисперсним середовищем. Молекулярне розсіювання світла. Закон Релея.

Рефрактометрія і волоконна оптика, їх використання у фармації. Дисперсія світла.