Вопросы для самоконтроля

1. Какими параметрами характеризуется импульсный ток?

2. Какие формы импульсных токов используются в медицине?

3. Как изменится форма прямоугольного импульса при прохождении RC-цепи?

4. При каких условиях RC-цепь является дифференцирующей?

5. При каких условиях RC-цепь являетсяинтегрирующей?

6. В чем заключается метод диадинамотерапии?

7. В чем заключается метод электростимуляции?

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: осциллограф, генератор прямоугольных импульсов, источники переменного электрического тока, вольтметр, резистор, конденсатор переменной емкости.

Описание установки

В работе для получения импульсного тока прямоугольной формы используется звуковой генератор, являющийся источником прямоугольных импульсов (ИПИ). Питание звукового генератора осуществляется от сети через трансформатор (ТР). Импульсы прямоугольной формы направляются на RC-цепь, составленную из «магазина сопротивлений» и конденсатора переменной емкости. Указанная цепь работает и как дифференцирующая, и как интегрирующая-это можно осуществлять подключая электронный осциллограф (ЭО) к определенным точкам RC-цепи.

Схема наблюдения на экране ЭО прямоугольных электрических импульсов (рис. 6)

Рис. 6

Принципиальная схема включения дифференцирующей цепи (ЭО подключен к R (рис. 7).

Рис. 7

Интегрирующая цепь (ЭО отключить от R, а подключить к обкладкам конденсатора (С) (рис. 8).

Рис. 8

Схема работы:

Последовательность действий	Способ выполнения задания
1Получение импульсов прямоугольной формы и определение их параметров	1 Включите осциллограф в сеть, получите на экране ЭО горизонтальную линию длинной 5-7 см (с помощью «усилениеХ». 2. Включите в сеть схему (рис.6)”, на экране появится прямоугольный импульс. 3. Установите с помощью ручки «усиление У» амплитуду 2-3 см 4. Определите амплитуду Iо , длительность импульса tи и паузы tо в мм, учитывая, что частота переменного тока в сети ν = 50 Гц, получается Т=1/50 , т.е. Т=0,02с. 5. Вычислите tи и tо в секундах.
2 Исследование прохождения прямоугольных импульсов через дифференцирующую цепь	1. Включить цепь согласно схеме (рис.7) 2. Наблюдайте на экране ЭО различную форму импульсов, изменяя сопротивление R (при С = const). Зарисуйте картины при трех любых значениях сопротивления. 3. Вычислите для каждого случая длительность импульса tи и постоянную времени цепи τ (τ = RC). Сделайте общие выводы по полученным результам.
3. Исследование прохождения прямоугольных импульсов через интегрирующую цепь	1. Включить цепь согласно схеме (рис.8) 2. Установите определенную амплитуду прямоугольного импульса. С помощью вольтметра определите Uэфф, а Umax рассчитайте по формуле 3. Определите время нарастания переднего фронта импульса (в мм, а затем в секундах) в зависимости от сопротивления R. Зарисуйте картины для пяти последовательных значений сопротивления R, данные занесите в табицу 1. 4. Рассчитайте для всех импульсов, прошедших интегрирующую цепь, значения крутизны фронта и коэффициенты заполнения. Сделайте общие выводы по полученным результам. Таблица1
	R, Oм
	τф
	τи
	Кф
	Кз

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ показателя преломления жидкости методом рефрактометрии

Рефрактометры нашли широкое применение в медико-биологических исследованиях. Разработаны методики рефрактометрического определения содержания белка в сыворотке крови, основанные на зависимости показателя преломления раствора от концентрации растворенного вещества.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Изучить рефрактрометрический метод определения показателя преломления жидкости.

2. Исследовать зависимость показателя преломления раствора от его концентрации [ n=f(C)].

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Рефракция. Законы рефракции.

2. Физический смысл показателя преломления.

3. Явление полного внутреннего отражения и его применение в медицине.

4. Условие определения предельного угла полного внутреннего отражения.

5. Рефрактометр. Устройство и принцип работы

ЛИТЕРАТУРА

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл.21, с. 403 - 405.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.10. с. 103 - 106.

4. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 57-62.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

При переходе световой волны из одной среды в другую происходит изменение скорости распространения и длины волны (частота колебаний остается без изменений). Если лучи света падают на границу раздела сред под некоторым углом α, то направление их во второй среде изменяется и равно β.

Угол α, образованный лучом падающим и перпендикуляром, восстановленным в точке падения к поверхности раздела сред, называется углом падения луча (рис. 1). Угол β, образованный лучом преломления и перпендикуляром в точке падения, называется углом преломления (рис. 1).

Рис. 1

Явление преломления светового луча на границе раздела двух сред, называется рефракцией.

Взаимное геометрическое расположение лучей падающего и преломленного определяется законами преломления:

1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к границе раздела в точке падения.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных 2-х сред, равная отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды.

где n_1,2 –относительный показатель преломления

где v–скорость света в среде.

Если свет переходит из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления, то при максимальном угле падения α = 90⁰ свет во второй среде будет распространяться только в пределах угла β_пр, который называется предельным углом преломления (рис.2).

Рис. 2

Явление, при котором луч идет из среды более плотной в менее плотную под углом больше предельного, называется полным внутренним отражением. Предельным углом полного внутреннего отражения называется такой угол падения, которому соответствует угол преломления, равный 90° (рис.3).

Рис. 3

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это свойство нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ: рефрактометрах, используемых для определения чистоты воды, концентрации общего белка сыворотки крови, для идентификации различных веществ.

Основной частью рефрактометра являются две прямоугольные призмы, сделанные из одного и того же сорта стекла. Призмы соприкасаются гипотенузными гранями.

Между призмами помещают каплю жидкости, показатель преломления которой требуется определить.

Луч света от источника направляется на матовую грань призмы, где свет рассеивается и из призмы (оптически более плотной среды) выходит под различными углами в жидкость (оптически менее плотную среду). Лучи, падающие на жидкость под углом больше предельного, испытывают полное отражение и выходят через вторую боковую грань призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, окажется разделенным на светлую и темную части.

Положение границы раздела определяется предельным углом полного отражения.

Устройство рефрактометра УРЛ.

Конструктивно прибор состоит из двух основных частей: верхней – корпуса, нижней – основания.

К корпусу прибора крепятся камеры: верхняя и нижняя. Нижняя камера, заключающая в себе измерительную призму, жестко закреплена на корпусе. Верхняя же камера, заключающая в себе осветительную призму , соединена с нижней и может поворачиваться относительно ее. Нижняя и верхняя части камеры имеют окна. На штуцере нижней камеры подвижно укреплен осветитель, свет от которого может быть направлен в одно из окон камер.

На оси прибора укреплены:

- рукоятка с окуляром и настроечным механизмом, облегчающим совмещение границы светотени с перекрестием сетки;

- лимб дисперсии для устранения окрашенности границы светотени, наблюдаемой в окуляр;

- механизм наведения, находящийся внутри корпуса, который вместе с рукояткой может поворачиваться на оси вдоль шкалы.

На передней стенке основания расположен выключатель для включения осветителя.

На боковой стенке расположен шнур с вилкой для подводки питания от сети.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какой угол называется углом падения?

2. Какой угол называется углом преломления?

3. Сформулируйте закон преломления.

4. Что называется относительным (абсолютным) показателем преломления?

5. Какая характеристика световой волны не изменяется при переходеволны 6. из одной среды в другую?

7. Что является причиной изменения направления распространения световой волны при переходе из одной среды в другую?

8. В чем заключается явление полного внутреннего отражения? При каких условиях оно наблюдается

9. Дайте понятие предельного угла полного внутреннего отражения.

10. Из чего состоит оптическая система действия рефрактометра?

11.Что такое волоконная оптика. Применение волоконной оптики в медицине?

12. С какой целью используется рефрактометр в медицине?

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Рефрактометр, стеклянная палочка с оплавленным концом, водные растворы сахара, водные растворы NaCI известных концентраций, раствор NaCI неизвестной концентрации, дистиллированная вода.

Схема работы:

Последовательность действий	Способ выполнения задания
1. Проверка установки нуль-пункта рефрактометра.	Проверку и установку на нуль – пункта необходимо проводить по дистиллированной воде и при температуре 20 ±0,1о С. 1.Откройте верхнюю камеру и промойте дистиллированной водой поверхности измерительной и осветительной призм и насухо протрите тканью. 2. Оплавленным концом стеклянной палочки нанести на плоскость измерительной призмы одну-две капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю камеру. 3.Смещая осветитель, луч света направьте в окно верхней камеры. 4. Перемещая рукоятку с окуляром вдоль шкалы вверх и вниз, ввести в поле зрения границу светотени. 5. Установите вращением гайки окуляра по глазу наблюдателя резкость границы светотени, штрихов шкалы и перекрестия сетки. 6.Устраните окрашенность границы светотени вращением рукоятки дисперсионного компенсатора. 7. Поворотом рычага осветителя и вращением осветителя на оси, получите максимально контрастную границу светотени. 8. Границу светотени, перемещая рукоятку, подведите к центру перекрестия сетки. Если при совмещении с центром перекрестия сетки она прошла через отметку шкалы nж=1,33299 и 0% шкалы сухих веществ, нуль-пункт установлен правильно. 9. Установку нуль-пункта проверьте два-три раза путем смещения рукоятки границы светотени и повторной подводкой ее к перекрестию сетки.
2. Измерение показателя преломления и концентрации водных растворов сахара.	1. На нижнюю призму поочередно нанесите растворы сахара различной концентрации. 2. Совместите визир с границей свет-тень и определите по левой шкале показатели преломления исследуемых растворов (nж). Для каждого раствора измерение показателя преломления проведите три раза. Найдите среднее значение nср. Одновременно с определением nж по правой шкале определите концентрацию (С) сахара в растворах. Результаты занесите в таблицу 1. Таблица 1
	Растворы различной концентрации	Раствор №1	Раствор №2	Раствор №3
	Водные растворы сахара	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =
	Концентрация сахара, определенная по прибору.	С1 = С2 = С3 = Сср =	С1 = С2 = С3 = Сср =	С1 = С2 = С3 = Сср =
3. Исследование зависимости показателя преломления раствора от его концентрации.	1. Определите аналогичным способом показатели преломления трех водных растворов NaCI известных концентраций (5%, 10%, 15%) и одного с неизвестной концентрацией. 2. Для каждого раствора измерения показателя преломления проведите три раза. Найдите среднее значение nср. Результаты измерений занесите в таблицу 2. 3. Постройте график зависимости n =f(C) и по нему определите концентрацию NaCI исследуемого раствора Сх и внесите результат в таблицу 2 . 2. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы. Таблица2
	5% раствор NaCI	10% раствор NaCI	15% раствор NaCI	Раствор NaCI неизвестной концентрации
	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =
				Сх=
Примечание. После проведения измерений необходимо открыть верхнюю камеру, промыть, досуха вытереть плоскости верхней и нижней камер и плавно опустить верхнюю камеру прибора. Прибор выключить.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Защита от ионизирующего излучения

ЦЕЛЬ занятия:

1. Изучить ослабление ионизирующего излучения в различных веществах.

Исходный уровень знания:

1. Знать виды механических колебаний.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 28, с. 536 - 541.

3. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 157—162.

ТЕОРЕТИЧЕСКие предпосылки работы:

Ионизирующее излучение представляет собой потоки частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул этого вещества. К ионизирующим излучениям относятся потоки электронов, позитронов, протонов, нейтронов и других элементарных частиц, ос-частиц, а также гамма- и рентгеновское излучения.

При взаимодействии ионизирующего излучения с молекулами органических соединений могут образовываться высокоактивные возбужденные молекулы, ионы, радикалы. Взаимодействуя с другими молекулами биологических систем, они вызывают разрушение мембран, клеточных ядер и, следовательно, приводят к нарушению функций организма.

Для количественной оценки энергии, полученной облученным веществом, вводят понятие поглощенной дозы излучения, численно равной отношению энергии ионизирующего излучения, переданной элементу вещества, к массе этого элемента.

Экспозиционная доза – это общее количество радиоактивного излучения, достигающего вещества. Экспозиционная доза определяется для гамма- и рентгеновского излучения как общее количество ионов, образуемых в единице массы сухого воздуха в стандартных условиях (0⁰C, 760 мм.рт.ст.) при действии на него указанных видов излучения. Единицей измерения экспозиционной дозы является кулон на килограмм [кл/кг]. Но более удобной единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р). 1 Рентген равен 2,58*10^-4 Кл/кг, что составляет приблизительно 2 миллиона пар ионов на 1 см³ воздуха.

Различные излучения при одной и той же поглощенной дозе оказывают разные воздействия на биологические объекты, поэтому принято сравнивать биологический эффект различных излучений с эффектом, вызываемым рентгеновским или γ-излучением, при одинаковой поглощенной дозе.

Количественно биологическое действие ионизирующего излучения оценивается эквивалентной дозой Н:

H=kD, (1)

где k — коэффициент качества, представляющий собой безразмерную величину, показывающую, во сколько раз эффективность биологического действия данного излучения больше, чем рентгеновского или γ-излучения при той же поглощенной дозе.

Доза, отнесенная ко времени , называется мощностью дозы. Согласно (1) мощность эквивалентной дозы равна:

(2)

При распространении ионизирующего излучения в веществе происходит его ослабление, которое описывается экспоненциальным законом (рис. 1):

I = I₀ e^-μx, (3)

где I₀ — интенсивность падающего излучения, I — интенсивность излучения, прошедшего расстояние х в веществе, μ — линейный коэффициент ослабления.

Часто используют массовый коэффициент ослабления μ_m

, (4)

где р — плотность вещества.

Рис.1.

Ослабление интенсивности можно охарактеризовать отношением I/I₀ или обратной величиной I₀ /I — кратностью ослабления (КО).

Толщина слоя вещества, при прохождении которого интенсивность ионизирующего излучения уменьшается в два раза (кратность ослабления равна 2), называется слоем половинного поглощения d_1/2 (см. рис. 1). Из формулы (3) следует, что

(5)

Работа с любыми источниками ионизирующего излучения требует защиты человека от его вредного воздействия. Защитой от ионизирующего излучения (радиационной защитой) называют методы ослабления воздействия ионизирующих излучений на организм до допустимого уровня.

Если биологический объект находится на расстоянии х от источника ионизирующего излучения (радионуклида) активностью А, то получаемую им за время t эквивалентную дозу можно определить по формуле

(6)

где k — коэффициент качества данного излучения, μ — массовый коэффициент ослабления биологической ткани, — массовый коэффициент ослабления воздуха, k_γ— гамма-постоянная данного нуклида. Величина является переходным коэффициентом от поглощенной дозы в воздухе к эквивалентной дозе в биологической ткани. Мощность эквивалентной дозы равна

(7)

Различают три вида защиты от ионизирующего излучения: защита временем, защита расстоянием и защита материалом.

Из (6) следует, что чем больше время t и чем меньше расстояние х, тем больше доза Н. Следовательно, время нахождения под воздействием ионизирующего излучения должно быть по возможности минимальным, а расстояние от источника излучения максимальным.

В радиобиологии используется понятие предельно допустимой дозы (ПДД) ионизирующего излучения — дозы, которая при систематическом воздействии в течение неограниченного времени не вызывает каких-либо болезненных изменений организма и неблагоприятных наследственных изменений у потомства.

В соответствии со значениями ПДД установлены допустимые мощности эквивалентной дозы: для работающего с источниками излучения персонала (категория А) — 28 мкЗв/ч; для населения (категория В) — 0,2 мкЗв/ч.

Зная предельно допустимую мощность эквивалентной дозы ( H/t )_пд, можно вычислить безопасное расстояние х_БП:

(8)

Защита материалом основана на способности различных веществ поглощать ионизирующее излучение, которая характеризуется его массовым коэффициентом ослабления μ_m и слоем половинного ослабления d_1/2. Значения этих параметров зависят от вида ионизирующего излучения и энергии квантов электромагнитного излучения.

Толщину экранов из защитных материалов можно рассчитать, используя понятие кратности ослабления (КО).