Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика, биофизика. Учебно-методическое пособие
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова
Медицинский институт
Машаев С.Ш., Кутуев Р.А.
ФИЗИКА, БИОФИЗИКА
Учебно-методическое пособие
Грозный – 2023
2
Печатается по решению Ученого совета
ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова»
(протокол № 9 от 24.11.2022)
УДК 539.172.3:539.2
ББК 28.071
Рецензенты:
Гудаев Магомед-Альвы Ахмедович, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры
«Общая физика» Чеченского государственного педагогического университета
Гайрбеков Руслан Хасанович, канд. биол. наук, доцент кафедры
«Микробиологии и биологии» Чеченского государственного университета им.
А.А. Кадырова
Составители:
С.Ш. Машаев, доцент кафедры «Гуманитарная, естественнонаучная и
социальных дисциплин, ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет
им. А.А. Кадырова»
Р.А. Кутуев, доцент кафедры «Физическая электроника» ФГБОУ ВО
«Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова»
Машаев С.Ш., Кутуев Р.А. Физика, биофизика, учебно-методическое
пособие. – Грозный: Издательство ФГБОУ ВО «Чеченский государственный
университет им. А.А. Кадырова», 2023 – 119 с.
Учебно-методическое пособие написана по материалам курса «Физика,
биофизика» читаемая студентам медицинских специальностей согласно
программе.
В пособии представлены: основные понятия и формулы, задачи с
подробными решениями, задания и контрольные вопросы для самостоятельной
работы.
Вопросы ориентируют студентов изучению данного материала
лекционного курса. Основные понятия и формулы ориентируют студентов
практическому применению, конкретных законов для решения поставленных
проблем в задачах.
Для внутреннего пользования студентами медицинских специальностей
ЧГУ им. А.А. Кадырова.
© Машаев С.Ш., Кутуев Р.А., 2023
© Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова, 2023
3
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................................................ 4
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................ 5
ЛЕКЦИЯ 1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ .......................................................... 6
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ ............................................................................................................. 7
ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ. УЗ И ИЗ. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ СЛУХА.
ПРИМЕНЕНИЕ УЗ И ИЗ В МЕДИЦИНЕ ....................................................................................... 9
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ СЛУХА .............................................................................. 12
УЛЬТРАЗВУК (УЗ) И ИНФРАЗВУК (ИЗ). ................................................................................... 14
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРОЗВУКА И ИНФРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ ....................................... 14
УЛЬТРАЗВУК (УЗ) И ИНФРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ .............................................................. 15
ИНФРАЗВУК ................................................................................................................................... 18
Контрольные вопросы по разделу .................................................................................................. 19
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОТКАНЕЙ .......................................................................... 21
Контрольные вопросы по разделу .................................................................................................. 28
ГЕМОДИНАМИКА. ВЯЗКОСТЬ ЖИДКОСТИ. .......................................................................... 29
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕМОДИНАМИКИ ........................................................................... 29
Контрольные вопросы по разделу .................................................................................................. 37
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕМБРАНАХ............................................................................ 39
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕМБРАН.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. ДИПОЛЬ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОГРАФИИ .................. 45
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ СЕРДЦА И ГОЛОВНОГО МОЗГА ................................. 47
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ГОЛОВНОГО МОЗГА ...................................................... 50
ЭЛЕКТРОЭНЦИФАЛАГРАФИЯ (ЭЭГ) ....................................................................................... 50
Контрольные вопросы по разделу .................................................................................................. 51
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ....................................... 52
Контрольные вопросы по разделу .................................................................................................. 55
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. ИМПЕДАНС
ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА .................................................................................................................. 56
Контрольные вопросы по разделу .................................................................................................. 70
ГЛАЗ И ЕГО ФУНКЦИИ ................................................................................................................ 72
Контрольные вопросы по разделу .................................................................................................. 79
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ.
ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ВЗИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ.
ЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ, ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ .............................................. 80
Контрольные вопросы по разделу .................................................................................................. 95
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ................................................................................................. 96
РАДИАКТИВНОСТЬ ...................................................................................................................... 99
ДОЗИМЕТРИЯ ............................................................................................................................... 102
Контрольные вопросы по разделу ................................................................................................ 107
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕРМОДИНАМИКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ....................................... 109
Справочные материалы ................................................................................................................. 113
Литература ...................................................................................................................................... 118
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Пособие предназначено для студентов медицинских специальностей «Чеченский
государственный университет им. А.А. Кадырова»
С развитием науки совершенствуется производство, появляется новая техника
требующееся специалистов обладающие теоретическими и практическими знаниями.
Умеющие подбирать точный режим при работе с оборудованием, получать результаты, по
которым можно было ставить точные диагнозы.
Для достижения этой цели необходима, разнообразная учебная литература по
соответствующей теме.
В связи с чем, нужно приветствовать инициативу специалистов, работающих
непосредственно в сфере обучения и подготовки специалистов, по изданию своих пособий в
дополнение официально утвержденной литературе, поскольку, они дополняют имеющую
специальную литературу, предлагая свои подходы изучаемому материалу.
Одним из таких изданием является пособие доцента Саид– Магомеда Шахидовича
Машаева и доцента Руслана Азаловича Кутуева «Физика, биофизика». Она содержит
теоретический лекционный материал, задачи с решениями по «Физике, биофизике», вопросы
для самостоятельной работы.
Пособия разработано и подготовлено доцентами С.Ш. Машаевым и доцентом Р.А.
Кутуевым в соответствии учебной программы по дисциплине «Медицинская и биологическая
физика». Пособие предназначено для студентов медицинских профессии.
В пособии использованы фрагменты из разной литературы по теме, а также отдельные
фрагменты из учебников «Медицинская и биологическая физика», «Термодинамика»,
«Сборник задач по медицинской и биологической физике».
В приложениях приведены значения физических постоянных, обозначения и названия
приставок для кратных единиц в международной системе единиц СИ.
В виде таблиц представлены механические, электромагнитные и других физикохимические характеристики.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам за их огромный труд по
работе над пособием, за советы, критические замечания и предложения, которые очень
помогли авторам.
5
ВВЕДЕНИЕ
Наука, соответственно научно-технический потенциал страны в настоящее время
уделяет большое внимание подготовке специалистов, с образованием бакалавра и выше
различных специальностей, направлений и профиля быстрыми темпами. Особое внимание
уделяют не только изучаемым предметам, но и преподаванию. Уместно здесь отметить, что
медицина очень давних времен успешно пользуется теоретическими и экспериментальными
достижениями физиков и математиков. Благодаря чему развивается и усовершенствуется сама
медицина, но и медицинское оборудование, появляются новые методики диагностики и
лечения. Особенно заметно возросшие возможности таких медицинских специальностей как
физиология, радиология, рентгенология, гигиена, современные количественные методы
диагностики, физиотерапии, поскольку, появляется разнообразное медицинское оборудование
с широкими возможностями для изучения и лечения организма человека. Однако нужно
заметить, то обстоятельство, что наличие аппаратуры недостаточно для успешной работы на
ней. Отсутствии специалистов, не даст никакого эффекта.
Эффект в подготовке таких специалистов можно достичь при условии наличии
разнообразной обучающей литературы и правильно поставленной программе.
В связи с чем, нужно приветствовать инициативу специалистов, занятых изданием
своих пособий в дополнение официально утвержденной литературе, поскольку, дополняют
содержание учебника, предлагая свои подходы к изучаемому материалу.
Мы предложили пособию для студентов, обучающих в медицинском институте
Чеченского Государственного Университета им. А.А. Кадырова.
В пособие включили медицинское оборудование, широко используемое в процессе
диагностики и лечении и материал, который иллюстрирует и описывает процессы,
протекающие в организме человеческого тела.
В основном почти каждый раздел заканчивается задачами с решениями и
контрольными вопросами, для самоконтроля и усвоения материала.
6
ЛЕКЦИЯ 1: МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Внутри любого живого организма происходят непрерывные повторяющиеся процессы.
Соответственно повторяются и описывающие эти процессы параметры. В физике такие
явления называется колебаниями.
Колебаниями называют процессы, отличающиеся той или иной степенью
повторяемости.
Колебания совершают при: сокращении сердце; работе легкие;
благодаря колебаниям барабанных перепонок и голосовых связок мы слышим и
разговариваем; дрожим, когда нам холодно, атомы, из которых мы состоим, колеблются в
узлах решетки.
При ходьбе тело человека совершает сложные, колебательные движения: - центр
тяжести тело человека, при переходе с пятки на носок совершает колебания подобным
продольным гармоническим, а при переходе с одной ноги на другую, его центр масс,
совершает поперечные колебания;
Прибор, при помощи, которой наглядно можно демонстрировать такое явление,
называют маятником.
Маятником может быть любое тело массы m, прикрепленное к жесткой пружине. Такое
тело при выведении из положения равновесия способно совершать колебательные движения
относительно положения равновесия: вертикальном или горизонтальном направлении.
Существует разные маятники:
- математический маятник - небольшое тело, подвешенное на длинной невесомой не
растяжимой нити. При выведении с положения равновесия такое тело способно совершать
колебательные движения относительно точки подвеса;
- физический маятник – твердое тело, прикрепленное за конец. При выведении с
положения равновесия тело совершать колебательные движения под действием силы тяжести
относительно точки подвеса; и т.д.
В зависимости от физической природы существуют и другие колебания: механические,
электрические, периодические и т.д.
Периодическими называют такие колебания, при которых все характеристики
движения повторяются через определенный промежуток времени.
Характеризующими величинами периодических колебаний являются:
• период колебаний (Т) - время, в течение которого совершается одно полное
колебание;
• частота колебаний ν – число колебаний, совершаемых за одну секунду.
Взаимосвязь между частотой и периодом определяется по формуле:
ν = 1/Т
• амплитуда колебаний (А) - величина равная максимальному смещению от
положения равновесия.
Среди периодических колебаний особое место занимают гармонические колебания.
Гармоническим колебанием является плоская волна (рис. 1.), которая
распространяется по закону синуса. Следовательно, смешение тела по данным законам можно
представить в виде синусоиды или косинусоиды.
X = Acos (ωt + φ0) или X = Asin(ωt +φ0 )
Рис. 1. Графики зависимости смещения от времени.
7
где Х – смешение тела в момент времени t, А – амплитуда колебаний равная
максимальному смещению, φ = (ωt +φ0) - фаза колебаний в момент времени t; φ0 - начальная
фаза колебаний (при t = 0), ω - круговая или циклическая частота колебаний.
В реальной жизни все эти колебания затухающие, поскольку, теряется энергия для
преодоления противодействующих сил.
Взаимосвязь между частотой или периодом определяется по формуле:
ω = 2πν = 2π/Т,
где ω – циклическая частота, ν – частота, Т – период колебания.
Свободными или собственными называются такие колебания, которые
происходят в системе, предоставленной самой себе, после того как она была выведена из
положения равновесия.
Следовательно, это колебании, которые возникают за счет собственной, внутренней
энергии (Е):
E =
m
Период (Т) математического маятника определяют по формуле:
Т = 2π
,
где L- длина нити, g- ускорение свободного падения.
Период (Т) физического маятника определяется по формуле:
T = 2π
,
где J- момент инерции тела относительно оси, m - масса, h - расстояние между центром
тяжести и осью подвеса.
Период колебания тела, подвешенного на жесткой пружине, определяется по формуле:
T = 2π
,
где - коэффициент жесткости пружины.
В реальных системах силы трения изменяют характер движения. На преодоления силы
трения тратится энергия колебательной системы, и колебания постепенно затухают.
F = - rʋ,
где r – коэффициент сопротивления, зависящий от свойств среды, формы и размеров
тела. Он зависит от массы m и коэффициента затухания β:
r = 2mβ,
В качестве характеристики степени затухания используют безразмерную величину,
которую называют логарифмическим декрементом затухания λ:
логарифмическим декремент определяют по формуле:
λ = βT.
Незатухающие колебания можно создать с помощью периодического внешнего
воздействия, такие колебания называются вынужденными.
Вынужденными называются такие колебания, в процессе которых колеблющаяся
система подвергается воздействию внешней периодической силы, которую называют
вынуждающей силой.
Максимальное отклонение от положения равновесия называют амплитудой колебания.
Максимальное отклонения от положения равновесия, которое достигает колеблющиеся тело
под действием вынуждающей силы, называется резонансом.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
Волной называется процесс распространения механических колебаний в упругой
среде.
Виды волн
Волны бывают поперечные, продольные, сферические, вихревые и т.д.
8
Продольные волны - волны, при распространении которых частицы среды
колеблются вдоль той же прямой, по которой распространяется волна. При этом в среде
чередуются области сжатия и разряжения.
Поперечные волны - волны, при распространении которых частицы колеблются
перпендикулярно направлению распространения волны. При этом в среде возникают
периодические деформации сдвига.
Скоростью волны υ называется, скорость перемещения ее фронта. Фронт волны
- геометрическое место точек, до которых к данному моменту дошло колебание
(возмущение среды).
Плоской называется волна, у которой фронтом волны является плоскость,
перпендикулярная направлению распространения.
Сферической называется волна, у которой фронт имеет форму сферы.
Ударная волна – волна, распространяющая со сверхзвуковой скоростью тонкую
переходную область, в которой происходит скачкообразное возрастание давления, плотности
и скорости движения вещества.
Поверхностные волны – волны, которые распространяются вдоль свободной
поверхности тела или вдоль границы тела с другими средами и быстро затухают при удалении
от границы.
Автоволны – волны самоподдерживающие и сохраняющие в активной среде, за счет
распределенных в ней источников энергии, характеристики свои постоянными.
Величины, характеризующие волну: λ - длина волны, Т-период, ν- частота, ω циклическая частота.
Длина волны λ или расстояние равное периоду колебаний частиц среды. Определяется
по формуле:
λ = ʋТ = ʋ/ν = 2πʋ/ω,
где Т- период, ν = 2π/ω - частота, ω - циклическая частота.
Уравнение плоской волны - смещение х (точки среды), удаленной от источника на
расстояние s, в момент времени t.
X = A cos(ωt-2πs/λ, где t > s/ʋ
Процесс распространения колебаний в некоторой среде называют волной.
Например:
Если, бросить камень в стоячую воду, можно увидеть колебание воды на поверхности.
Эти колебания называют волнами. Волны на поверхности воды представляют собой чередующиеся гребни и впадины, перемещающиеся по ее поверхности с некоторой скоростью,
которая называется скоростью распространения волны.
Энергетические характеристики волны являются: поток энергии (Ф), интенсивность
волны (I), объемная плотность энергии (
)
Поток энергии (Ф) - величина, равная энергию переносимой волной через данную
поверхность за единицу времени:
Ф = dE/dt, [Вт]
Интенсивность волны (I) - величина, равная отношению потоку энергии,
переносимой волной через единичную площадку, расположенной перпендикулярно
направлению распространения волны, к величине площади этой площадки:
I = Ф/S, [Вт/
]
Объемная плотность энергии (
) колебательного движения частиц среды - есть
объем энергии содержащихся в единице ее объема. Определяется по формуле:
=ρ
/2,
где ρ- плотность среды.
Единицей измерения энергия Wp в системе СИ является Джоуль деленный на метр кубе
(Дж/
),
Расчетная формула для интенсивности волны имеет вид:
9
I = ʋwр = ρA2 ʋ ω2/2,
где ʋ- скорость волны, wр - объемная плотность энергии, А - амплитуда колебаний
частиц среды в данном месте, ω – циклическая частота.
ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ. УЗ И ИЗ. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ СЛУХА.
ПРИМЕНЕНИЕ УЗ И ИЗ В МЕДИЦИНЕ
Звуковые волны.
Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов:
Тон - звук, представляющий собой периодический процесс.
Основной характеристикой тона является частота.
- Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например,
камертоном).
- Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются
гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым
аппаратом человека). Его можно представить в виде суммы простых тонов. Их разложение
на составляющие тоны называется спектром.
Шум - звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и
представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест
листьев).
Звуковой удар – кратковременное звуковое воздействие (хлопок, удар, взрыв, гром и
т.д.)
Акустический спектр тона – это совокупность всех его частот с указанием их
относительных интенсивностей или амплитуд (рис. 2).
Рис. 2. Спектры: а - ноты рояля, б – ноты кларнета
Наименьшая частота в спектре ν соответствует основному тону, а остальные частоты
называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной
частоте: 2ν, 3ν, 4ν, ...
Физические характеристики звука.
Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума.
Скорость распространения звука зависит от упругости, плотности и температуры
среды, но не зависит от частоты колебаний.
В газе скорость звука зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры
(Т):
ʋ =
где – универсальная газовая постоянная, v – отношение теплоемкостей газа при
постоянном давлении и постоянном объеме.
Для воздуха v = 1,4, М = 0,029 кг/моль.
Скорость звука в воздухе: ʋ = 331 + 0,6 t, не зависит от давления.
10
Скорость звука в воде равна 1500 м/с; мягкие ткани организма имеет близкое значение
этой скорости звука.
Звуковое давление (P) - амплитуда тех изменений давления в среде, которые
возникают при прохождении звуковой волны.
Интенсивность звука - плотность потока энергии, переносимой звуковой волной.
Звуковые волны
В медицине широко применяют при диагностике и лечении звуковые волны
различных длин λ и частот ν.
Волны, частота которых лежит, в пределах от 16 Гц до 20 кГц достигнув человеческого
уха, вызывающие специфическое ощущение звука, называют звуковыми волнами.
Наука, которая занимается изучением, звуковых волн, называют акустикой.
Звуковые волны классифицируют по их длине волн λ и частотам ν:
- упругие волны с частотой менее 16 Гц называют инфразвуком;
- волны с частотой, превышающей 20 кГц, называют ультразвуком и т.д.
Звуковые волны в жидкостях и газах могут быть продольными, а твердых телах
продольными и поперечными.
Выделим характеристики звуковой волны:
- не зависящие от особенностей восприятия звука человеком - называют объективными;
- те, которые основываются на восприятии звука - называют субъективными.
Между этими типами характеристик существует определенная, не совсем простая,
связь.
Объективные характеристики звука.
К ним относятся физические величины, которые описывают любой механический
волновой процесс:
- частота звука ν, измеряемая числом колебаний в секунду частиц среды, участвующих
в волновом процессе;
- средняя плотность потока энергии (или интенсивность звука), измеряемая как средняя
энергия, переносимая звуковой волной за 1 с через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны.
Интенсивность (I) гармонического звукового сигнала пропорциональна квадрату
частоты (ν2) и квадрату амплитуды (А2) колебаний частиц среды. Вычисляется по формуле:
I = A2 ∙ ω2 ∙ (ρ ʋ / 2),
где (ρ ʋ / 2) – коэффициент пропорциональности
Спектр звука указывает, из колебаний каких частот «составлен» данный звук и как
распределены амплитуды между отдельными составляющими:
гласный звук имеет линейчатый спектр, а согласный звук или шум — сплошной
(непрерывный).
Человеческое ухо способно воспринимать довольно широкий диапазон интенсивностей
(I) звука.
Например: на частоте 1 кГц: порог слышимости 10 = 10
-12
Вт/м2,
Ро= 3·10-5Па.
Уже при I
max
= 10 Вт/м2, Р
maх
= 60Па - порог болевого ощущения, а при 160 дБ – может
вызвать разрыв барабанной перепонки. Здесь Р – давление на перепонку, I – интенсивность.
Поскольку отношение интенсивностей равно 1013, при вычислении удобно
пользоваться логарифмическими функциями.
Расчет уровня интенсивности в децибелах:
= 10∙lg(/) = 20lg(
)
Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивностей
или порогов слышимости:
= lg(/) = 2lg(P/
). [бел (Б)].
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]