- •Раздел I. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика 16 глава 1. Законы динамики ньютона. Законы сохранения 16
- •Вопросы и задачи к главе I. 33 глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе 52
- •Глава 4. Реальные газы 74
- •Вопросы и задачи и вопросы к главе 4. 82 глава 5. Поверхностное натяжение жидкости 82
- •Вопросы и задачи к главе 5 102
- •Вопросы задачи к главе 4 180
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны 181
- •Вопросы задачи к главе 5 201 глава 6. Оптика 201
- •Вопросы задачи к главе 6 251
- •Раздел III. Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1.Тепловое излучение тел 253
- •Глава 2. Рентгеновское излучение 261
- •Глава 3. Радиоактивность 272
- •Раздел IV. Биофизика 337 глава1 молекулярная биофизика 337
- •Глава 2. Биологические мембраны. 358
- •Введение
- •Раздел I механика. Молекулярная физика. Термодинамика.
- •Глава 1 законы динамики ньютона. Законы сохранения.
- •1.1. Законы ньютона. Основные дифференциальные уравнения движения.
- •Здесь аx , аy , аz - проекции вектора ускорения на оси координат X , y и z;
- •1.4 Физические основы центрифугирования
- •Глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •Примечание 2
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе.
- •3.1. Особенности термодинамического метода. Первое начало термодинамики.
- •3.2. Применение первого начала термодинамики к равновесным изопроцессам идеального газа
- •Глава 4. Реальные газы
- •Глава 5. Поверхностное натяжение жидкости
- •5.5 Методы определения коэффициента поверхностного натяжения
- •Глава 6. Вязкость жидкости
- •1. Метод капиллярного вискозиметра (оствальда).
- •2. Метод падающего шарика (стокса)
- •Глава 7 твёрдые и жидкие кристаллы. Стеклообразное состояние вещества. Полимеры.
- •7.1. Фазовые переходы. Плавление, кристаллизация, сублимация.
- •7.2.Кинетические превращения. Стеклование и размягчение
- •7.3. Жидкие кристаллы
- •7.4. Кристаллические модификации твёрдых кристаллов.
- •7.5 Механические свойства твёрдых тел. Закон гука. Упругость и пластичность
- •7.6 Полимеры. Их кристаллическое, стеклообразное, высокоэластическое, вязкотекучее состояние.
- •Глава 8. Процессы переноса
- •8.1. Диффузия
- •8.2. Теплопроводность
- •8.3. Вязкость
- •Раздел II
- •Глава 1. Механические колебания
- •1.3 Смещение, скорость и ускорение гармонически колеблющегося тела
- •1.7. Автоколебания
- •1.8. Сложения гармонических колебаний, направленных по одной прямой. Теорема фурье. Гармонический спектр сложного колебания
- •Вопросы и задачи к главе 1
- •Глава 2. Механические волны
- •2.1 Механические волны, продольные и поперечные волны
- •2.2. Уравнение и график плоской незатухающей гармонической волны
- •Вопросы и задачи к главе 2
- •Глава 3. Звук
- •3.1. Субъективные (физиологические) характеритики восприятия звука и их связь с объективными, физическими характеристиками звуковой волны
- •3.2 Область слышимости
- •3.3. Закон вебера-фехнера
- •3.4. Уровень интенсивности
- •Вопросы и задачи к главе 3
- •Глава 4. Ультразвук. Его применение в медицине инфразвук
- •4.1. Физические свойства ультразвука
- •1. Частотный диапазон ультразвука
- •4.4.Источники и приёмники ультразвука
- •1. Пьезоэлектрические излучатели-приёмники
- •2. Магнитострикционные излучатели ультразвука
- •Вопросы и задачи к главе 4
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны
- •5.1. Некоторые необходимые сведения об основах электричества и магнетизма.
- •Глава 6. Оптика
- •Раздел III . Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1. Тепловое излучение тел
- •1.2 Спектр теплового излучения абсолютно чёрного тела.Закон вина. Закон стефана-больцмана.
- •Глава 2. Рентгеновское излучение
- •Глава 3. Радиоактивность
- •Глава 4. Дозиметрия ионизирующих излучений
- •Глава 5. Элементы квантовой механики.
- •5.4. Решение уравнения шрёдингера для частицы в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками
- •Глава 6. Люминесценция
- •Глава 7. Лазер
- •7.1. Вынужденное излучение. Инверсная заселённость. Метастабильные уровни
- •Глава 8. Оптическая спектроскопия. Ик- спектроскопия. Радиоспектроскопия.
- •8.4. Спектры комбинационного рассеяния
- •Раздел IV. Биофизика
- •Глава 1. Молекулярная биофизика
- •1.Ионная связь
- •2.Ковалентная связь
- •3.Межатомное отталкивание
- •4. Донорно- акцепторная связь
- •5. Водородная связь
- •1. Ориентационная связь
- •3. Индукционная связь
- •3. Дисперсионная связь
- •4. Межмолекулярное отталкивание
- •5. Гидрофобные взаимодействия
- •Глава 2. Биологические мембраны
- •2.3. Жидкостно-мозаичная модель биомембран
- •2.4. Модельные липидные мембраны.
- •2.5. Физические свойства мембран и методы их исследования.
- •2.6. Физическое состояние и фазовые переходы фосфолипидного бислоя
- •Глава 3. Термодинамика биологических систем.
- •3.1 Применение первого начала термодинамики к биологическим системам. Прямая и непрямая калориметрия. Энергетический баланс организма.
- •3.2. Применение второго начала термодинамики к живым системам. Уравнение пригожина.
- •3.3 Сопряженные процессы. Сопряженные процессы созидания и разрушения
- •3.4 Стационарное состояние. Теорема пригожина. Аутостабилизация. Адаптация.
- •Глава 4. Транспорт веществ через биологические мембраны.
- •4.1 Пассивный и активный транспорт веществ
- •Глава 5. Биоэлектрические потенциалы
- •5.1Виды биопотенциалов. Их виды: покоя, действия. Природа биопотенциалов
- •5.2. Методы регистрации биопотенциалов. Микроэлектроды.
- •5.3 Биопотенциалы покоя. Уравнение Гольдмана, уравнение Нернста. Роль ионных насосов в создании биопотенциала покоя
- •Глава 6. Биофизика нервого импульса
- •6.1. Потенциал действия и его свойства
- •6.3.Метод фиксации мембранного потенциала. Ионные токи. Ионные каналы
- •Глава 7. Моделирование биофизических процессов
- •7.1 Моделирование биологических процессов. Моделирование физическое, аналоговое, математическое. Основные требования к моделям.
1.4 Физические основы центрифугирования
Центрифугирование- метод разделения (сепарации) неоднородных систем под действием искусственного гравитационного поля, создаваемого во вращающихся системах. Например, разделение суспензий, эмульсий на составные части с различной плотностью. Вращение с большой частотой позволяет значительно ускорить процесс разделения по сравнению с разделением в поле тяжести Земли.
Рис.1.6. Разделение в гравитационном поле Земли.
На частицу с объёмом V в гравитационном поле действует сила тяжести mg=чVg , а архимедова сила FА =ρжVg (рис.1.6), ρч - плотность частицы,ж - плотность жидкости:
Fp= FA- mgρч =(ρж-ρч)Vg (1.14)
Если ρж > ρч, частица поднимается вверх.
Если ρж < ρч, частица опускается вниз.
В первом случае отделяемые частицы собираются на поверхности жидкости, во втором - на дне. Процесс разделения происходит тем быстрее, чем больше разделяющая сила Fp, то есть, чем больше разница плотностей=(ρж-ρч), чем больше объём частиц V и чем больше напряжённость гравитационного поля
g =,
то есть ускорение свободного падения. При центрифугировании как раз и создаётся гравитационное поле с большой напряжённостью g'. Согласно одному из основных постулатов физики, положенному в основу общей теории относительности, неинерциальная система, движущаяся с ускорением , аналогичная система с напряжённостью гравитационного поля
= -
В движущейся с ускорением системе создаётся гравитационное поле, направленное в сторону, противоположную ускорению. Этот факт можно проверить в лифте, поднимающемся с ускорением. Так же объясняются перегрузки, испытываемые космонавтами в стартующей космической ракете. Использовать для создания сильного гравитационного поля поступательное движение с ускорением сложно. Проще получать большое ускорение при вращательном движении.
Как известно из кинематики вращательного движения, тело, перемещающееся по окружности, движется с центростремительным ускорением, направленным к центру окружности (рис.1.7):
a ц.с.=
- угловая скорость тела,
R- радиус окружности.
Рис.1.7. Разделение в гравитационном поле вращающейся системы.
В центрифуге сепарируемая система приводится во вращательное движение с большой частотой ν и, следовательно, с большой угловой скоростью =2ν. Вследствие этого в системе создаётся гравитационное поле с напряжённостью.
g'= - aц.с.= -
Поле направлено от оси вращения по радиусам к ободу центрифуги. На частицы с в центрифуге действуют разделяющие силы:
F'p = (ρж – ρч) V g' = (ρж - ρч)V4πv2R (1.15)
направленные по радиусам. Под действием разделяющих сил частицы с плотностью, меньшей плотности окружающей жидкости, будут вытесняться в направлении к оси вращения, а тяжёлые частицы с плотностью, большей плотности жидкости, будут собираться у обода центрифуги. Центрифугирование будет идти тем быстрее, чем больше частота вращения и радиус центрифуги. Эффективность центрифугирования η можно оценить по тому, во сколько раз разделяющая сила во вращающейся центрифуге больше, чем в гравитационном поле Земли:
η(1.16)
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 1
1.Камень массой m=100 кг падает с высоты H = 10 м в песок. Объясните, какие превращения энергии при этом происходят. Какая скорость камня у поверхности Земли? Насколько повысится температура камня? Принять, что половина механической энергии камня пойдёт на его нагревание. Удельная теплоёмкость камня Дж/кг.
2.В жаркий день брызги воды взлетают вверх под водопадом и испаряются в горячем воздухе. Какие превращения энергии при этом происходят?
3.Сжатая металлическая пружина помещается в кислоту, где растворяется. Куда при этом девается потенциальная энергия сжатой пружины?
4.Первый шар ударяется центрально о второй, второй о третий и т.д. (рис. 1.8)
Рис. 1.8. (К задаче 4)
======10 кг,==10 м/с.
Найдите скорости шаров 1,2,3,4,5 после центральных соударений и количество механической энергии, превращающейся при этом во внутреннюю. Рассмотреть два случая: а) абсолютно упругие и б) абсолютно неупругие соударения.
5. В какую сторону надо размешивать ложечкой чай: по часовой или против часовой стрелки, чтобы ускорить растворение сахара?
6. Найдите эффективность разделения в центрифуге с частотой вращения Гц и диаметром 40см.
7. Как объясняется большое биологическое действие быстрых нейтронов?