- •Определить соответствие вариационного распределения измеренной величины нормальному закону распределения
- •Практическая часть
- •Ход работы
- •(Ординаты нормальной кривой)
- •Применение математической статистики при обработке результатов анализа
- •Значения для различныха
- •Потом, пользуясь формулой
- •Лабораторная работа№ 2
- •Порядок работы
- •Механические свойства твердых тел
- •§ 8.4. Механические свойства биологических тканей
- •Дополнительный материал
- •Механические свойства биологических тканей.
- •Вязкоупругие, упруговязкие и вязкопластичные
- •Системы. Механические свойства мышц, костей,
- •Кровеносных сосудов, лёгких
- •Задачи, объекты и методы биомеханики.
- •Биомеханика опорно-двигательной системы человека. Биомеханические аспекты остеогенеза.
- •Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека.
- •Эргометрия. Механические свойства тканей организма.
- •Заключение
- •Лабораторная работа № 3 «Определение скорости звука в воздухе и собственных частот воздушного столба»
- •Механические колебания и волны.
- •5.1. Свободные механические колебания (незатухающие и затухающие)
- •5.2. Кинетическая и потенциальная энергии колебательного движения
- •5.3. Сложение гармонических колебаний
- •5.4. Сложное колебание и его гармонический спектр
- •5.5. Вынужденные колебания. Резонанс
- •5.6. Автоколебания
- •5.7. Уравнение механической волны
- •5.8. Поток энергии и интенсивность волны
- •5.9. Ударные волны
- •5.10. Эффект Доплера
- •Лабораторная работа №4 Снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости
- •Ход работы:
- •Акустика. Природа звука. Физические характеристики звука. Тоны и шумы.
- •Физические характеристики звука. Тоны и шумы.
- •Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука.
- •Понятие о звукопроводящей и звуковоспринимающей системах уха человека. Физика слуха.
- •Поглощение и отражение звуковых волн. Реверберация.
- •Физические основы звуковых методов исследования в клинике.
- •Лабораторная работа №5 Исследование действия ультразвука на вещество
- •Ход работы:
- •2. Установить ручкой 2 длину волны, на которой производится измерение. Длина волны высветится на верхнем световом табло.
- •Ультразвук. Методы получения и регистрации.
- •Источники и приемники акустических колебаний и ультразвука.
- •Физические основы действия ультразвуковых волн на вещество. Низкочастотный и высокочастотный ультразвук.
- •Физические основы применения ультразвуковых волн в медицине Ультразвуковая диагностика. Хирургическое и терапевтическое применение ультразвука.
- •Инфразвук, особенности его распространения. Физические основы действия инфразвука на биологические системы.
- •Вибрации, их физические характеристики
- •Ударные волны.
- •( Самостоятельная подготовка)
- •Задачи.
- •Лабораторная работа №6. « Определение поверхностного натяжения жидкостей методом измерения максимального давления в пузырке воздуха»
- •Порядок работы
- •Задачи.
- •«Определение по ударному объёму крови сердца энергозатрат, кпд , расхода кислорода, при совершении механической работы.»
- •1.1. Основные понятия гидродинамики. Условие неразрывности струи.
- •1.2. Уравнение Бернулли.
- •1)Наклонная трубка тока постоянного сечения.
- •2)Горизонтальная трубка тока жидкости переменного сечения.
- •3) Измерение скорости потока жидкости. Трубка Пито.
- •4) Закупорка артерии.
- •Запишем уравнение Бернулли и условие неразрывности струи для нашего случая:
- •5) Разрыв аневризмы.
- •1.7 Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса. Условия проявления турбулентности в системе кровообращения.
- •1.8. Роль эластичности кровеносных сосудов в системе кровообращения. Пульсовая волна.
- •1.9 Методы измерения давления крови.
- •Физические вопросы гемодинамики
- •9.1. Модели кровообращения
- •9.3. Работа и мощность сердца. Аппарат искусственного кровообращения
- •Определения основных термодинамических величин
- •Первое начало термодинамики
- •Свободная и связанная энергия
- •Обратимые и необратимые процессы
- •Источники свободной энергии живого организма и виды совершаемых им работ
- •Тепловой баланс организма, способы теплообмена
- •Температурный гомеостазис, химическая и физическая терморегуляция
- •Энерготраты организма, основной обмен
- •Понятие о физиологической калориметрии
- •Второе начало термодинамики понятие энтропии
- •Статистический смысл энтропии
- •Формулировка второго начала термодинамики
- •Диссипативная функция
- •Научное и практическое значение второго начала термодинамики
- •Второе начало термодинамики и живой организм
- •Стационарное состояние
- •Лабораторная работа №8 Определение вязкости жидкости Исследование зависимости вязкости жидкости от концентрации
- •Ход работы:
- •«Определение вязкости жидкости. Исследование зависимости вязкости жидкости от концентрации». Вопросы теории.
- •1.3. Внутреннее трение (вязкость) жидкости. Формула Ньютона.
- •Единицей измерения в “си” является н сек / м2 ,
- •Ньютоновские и неньютоновские жидкости.
- •1.4. Течение вязкой жидкости. Формула Пуазейля.
- •1.5. Методы определения вязкости жидкости.
- •Вискозиметр Оствальда представлен на рисунке 7.
- •Путь, пройденный жидкостью в капиллярах одинакового сечения при одинаковых давлениях и температурах, обратно пропорционален внутреннему трению или вязкости:
- •1.6 Реологические свойства крови, плазмы и сыворотки. Факторы, влияющие на вязкость крови в организме. Особенности течения крови в крупных и мелких сосудах
- •Относительные вязкости крови, плазмы и сыворотки крови. (Относительной вязкостью биологической жидкости называют отношение ее вязкости к вязкости воды.)
- •Лабораторная работа №9
- •11.8. Потенциал действия и его распространение
- •11.9. Активно-возбудимые среды. Автоволновые процессы в сердечной мышце
- •1. Вопросы теории.
- •1.1. Мембранные потенциалы и их ионная природа.
- •Где dE/dx – производная от напряженности электрического поля по направлению оси ох, являющаяся мерой неоднородности электрического поля вдоль соответствующего направления. Из (12) следует
- •1.5. Электрокардиография. Теория отведений Эйнтховена.
- •1.6. Понятие о мультипольном эквивалентном электрическом генераторе сердца.
- •1.7. Электрокардиограф.
- •1.8. Векторная электрокардиография.
- •Вопросы теории
- •Лабораторная работа 10 градуировка термоэлемента в качестве термометра и определение его термо-эдс
- •Порядок работы
- •Устройства для съема, передачи и регистрации медико-биологической информации
- •Электроды для съема биоэлектрического сигнала
- •Датчики медико-биологической информации.
- •Назначение и классификация датчиков.
- •Характеристики датчиков. Погрешность датчиков.
- •Примеры устройства датчиков, используемых в медицине.
- •Внутренняя контактная разность потенциалов. Термоэлектродвижущая сила
- •Аналоговые регистрирующие устройства. Различные системы регистрации непрерывной информации
- •Лабораторная работа №11
- •Расчетные формулы:
- •Определение сопротивление живых тканей человека переменному току.
- •12.2. Электрический диполь
- •. Электропроводимость электролитов
- •12.10. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном токе
- •15.1. Первичное действие постоянного тока на ткани организма. Гальванизация. Электрофорез лекарственных веществ
- •14.2. Переменный ток
- •14.3. Полное сопротивление в цепи переменного тока. Резонанс напряжений
- •14.4. Импеданс тканей организма. Дисперсия импеданса. Физические основы реографии
- •Генераторы импульсных (релаксационных) электрических колебаний, мультивибратор, блокинг-генератор. (Лекция №11)
- •Ход работы:
- •Электростимуляция тканей и органов
- •3) Минимальное количество противопоказаний (поздние сроки беременности, онкологические больные),
- •Связь амплитуды, формы импульса, частоты следования импульсов, длительности импульсного сигнала с раздражающим действием импульсного тока. Закон Дюбуа-Реймона, уравнение Вейса-Лапика.
- •Генераторы импульсных (релаксационных) электрических колебаний. Мультивибратор. Блокинг-генератор.
- •Дифференцирующая и интегрирующая цепи: принципиальная схема, зависимость формы выходного импульса от длительности входного и постоянной времени цепи.
- •Электростимуляция сердца и ее виды
- •Дефибрилляторы.
- •Вопросы теории (исходный уровень):
- •Воздействие переменными токами
- •Аппаратура электрохирургии
- •Аппарат электрохирургии высокочастотный
- •Терапевтический контур
- •15.3. Воздействие переменным магнитным полем
- •15.4. Воздействие переменным электрическим полем
- •15.5. Воздействие электромагнитными волнами
- •Физиотерапевтические аппараты высокочастотнойтерапии. Аппараты индуктотермии и увч-терапии. Терапевтический контур.
- •Вопрос 3. 15 минут. Генераторы синусоидальных колебаний с самовозбуждением
- •В подобном генераторе в колеба-тельном контуре почти не происходит потерь энергиии и ток Jк в нем является только возбудителем переменного потенциала на сетке лампы, к которой он подключен.
- •Двухтактный генератор
- •. Магнитные свойства тканей организма. Понятие о биомагнетизме и магнитобиологии
- •Расчетная формула для определения коэффициента усиления усилителя по напряжению:
- •Ход работы:
- •Регулятором осциллографа можно смещать изображение вверх или вниз. Все кнопки осциллографа должны быть отжаты.
- •2. Снятие амплитудной характеристики усилителя электрокардиографа.
- •3. Снятие частотной характеристики усилителя электрокардиографа.
- •Определите выходное напряжение и коэффициент усиления усилителя электрокардиографа для частот 3-600Гц и занесите данные в таблицу №4.
- •1. Вопросы теории.
- •1.1. Усилители. Коэффициент усиления усилителя. Требования к усилителям. Классификация усилителей.
- •Усилителями электрических сигналов или электронными усилителями называют устройства, увеличивающие эти сигналы за счет энергии внешнего источника.
- •1.2. Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудные искажения. Предупреждение амплитудных искажений.
- •Где Umax1– амплитуда напряжения основной гармоники; Umax2, Umax3, … - амплитуды новых гармоник. Для точного воспроизведения сигнала коэффициент, очевидно, должен быть минимален.
- •Для выбора рабочей точки в усилителе используют резистор rк(рис.5).
- •1.8. Дифференциальный усилитель.
- •Вопросы теории (исходный уровень):
- •Лабораторная работа №15 определение концентрации оптически активных веществ с помощью поляриметра
- •Ход работы:
- •1. Поляризация света, свет естественный и поляризованный
- •2. Закон Малюса
- •3.Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков.
- •4. Поляризация света при двойном лучепреломлении (обыкновенный и необыкновенный лучи, оптическая анизотропия, ход обыкновеных и необыковенных лучей через анизотропный кристалл, призма Николя)
- •5.Явление дихроизма.
- •6.Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами. Поляриметрия (оптическая активность, постоянная вращения, правовращающие и левовращающие вещества, вращательная дисперсия).
- •7.Исследование биологических тканей в поляризованном свете. Спектрополяриметрия. Поляризационный микроскоп.
- •Вопросы теории (исходный уровень):
- •Исследование зависимости показателя преломления раствора от его концентрации. Определение концентрации раствора с помощью рефрактометра.
- •Ход работы:
- •4. Оформить отчет.
- •1. Явление рефракции
- •2. Отражение и преломление света.
- •3.Понятие о предельном угле падения и предельном угле преломления
- •4.Удельная рефракция вещества
- •5.Молекулярная рефракция вещества
- •Устройство и принцип действия рефрактометра
- •Вопросы теории (исходный уровень):
- •Определение цены деления окулярной шкалы и линейных размеров микрообъёктов оптическим микроскопом. (Самостоятельная подготовка)
- •Ход работы:
- •Для нахождения предела разрешения объектива микроскопа.
- •1. Микроскоп. Формула для увеличения
- •2. Разрешающая способность. Значение апертурного угла. Формула для предела разрешения.
- •3. Ультрафиолетовый микроскоп
- •4. Иммерсионные системы
- •5. Полезное увеличение
- •6. Специальные приемы микроскопии:
- •Вопросы теории (исходный уровень):
- •3.Показать на рисунке, что точечный источник, помещенный в фокусе собирающей линзы, дает плоский волновой фронт.
- •Определение длины волны излучения гелий-неонового лазера с помощью дифракционной решетки.
- •Дифракция на эритроците, наблюдаемая с помощью гелий-неонового лазера. Определение размера эритроцита.
- •14.7. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине
- •Интерференция и дифракция света. Голография
- •§ 19.1. Когерентные источники света. Условия для наибольшего усиления и ослабления волн
- •§ 19.2. Интерференция света в тонких пластинках (пленках). Просветление оптики
- •19.3. Интерферометры и их применение. Понятие об интерференционном микроскопе
- •19.4. Принцип Гюйгенса—Френеля
- •19.5. Дифракция на щели в параллельных лучах
- •19.6. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр
- •19.7. Основы рентгеноструктурного анализа
- •19.8. Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине
- •Основы устройства и работы лазеров
- •Классификация лазеров.
- •Гелий-неоновый лазер.
- •Рубиновый лазер.
- •Молекулярный лазер на двуокиси углерода (co2-лазер).
- •Биофизические основы действия лазерного излучения на организм. Использование низкоинтенсивных лазеров в медицине.
- •Использование высокоинтенсивного лазерного излучения в медицине. Лазерная хирургическая установка "ромашка -1".
- •Безопасность при эксплуатации лазерных установок.
- •Вопросы теории (исходный уровень):
- •3.Показать на рисунке, что точечный источник, помещенный в фокусе собирающей линзы, дает плоский волновой фронт.
- •Определение длины волны излучения гелий-неонового лазера с помощью дифракционной решетки.
- •Дифракция на эритроците, наблюдаемая с помощью гелий-неонового лазера. Определение размера эритроцита.
- •14.7. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине
- •Интерференция и дифракция света. Голография
- •§ 19.1. Когерентные источники света. Условия для наибольшего усиления и ослабления волн
- •§ 19.2. Интерференция света в тонких пластинках (пленках). Просветление оптики
- •19.3. Интерферометры и их применение. Понятие об интерференционном микроскопе
- •19.4. Принцип Гюйгенса—Френеля
- •19.5. Дифракция на щели в параллельных лучах
- •19.6. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр
- •19.7. Основы рентгеноструктурного анализа
- •19.8. Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине
- •Основы устройства и работы лазеров
- •Классификация лазеров.
- •Гелий-неоновый лазер.
- •Рубиновый лазер.
- •Молекулярный лазер на двуокиси углерода (co2-лазер).
- •Биофизические основы действия лазерного излучения на организм. Использование низкоинтенсивных лазеров в медицине.
- •Использование высокоинтенсивного лазерного излучения в медицине. Лазерная хирургическая установка "ромашка -1".
- •Безопасность при эксплуатации лазерных установок.
- •Вопросы теории (исходный уровень):
- •3.Показать на рисунке, что точечный источник, помещенный в фокусе собирающей линзы, дает плоский волновой фронт.
- •Определение длины волны излучения гелий-неонового лазера с помощью дифракционной решетки.
- •Дифракция на эритроците, наблюдаемая с помощью гелий-неонового лазера. Определение размера эритроцита.
- •14.7. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине
- •Интерференция и дифракция света. Голография
- •§ 19.1. Когерентные источники света. Условия для наибольшего усиления и ослабления волн
- •§ 19.2. Интерференция света в тонких пластинках (пленках). Просветление оптики
- •19.3. Интерферометры и их применение. Понятие об интерференционном микроскопе
- •19.4. Принцип Гюйгенса—Френеля
- •19.5. Дифракция на щели в параллельных лучах
- •19.6. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр
- •19.7. Основы рентгеноструктурного анализа
- •19.8. Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине
- •Основы устройства и работы лазеров
- •Классификация лазеров.
- •Гелий-неоновый лазер.
- •Рубиновый лазер.
- •Молекулярный лазер на двуокиси углерода (co2-лазер).
- •Биофизические основы действия лазерного излучения на организм. Использование низкоинтенсивных лазеров в медицине.
- •Использование высокоинтенсивного лазерного излучения в медицине. Лазерная хирургическая установка "ромашка -1".
- •Безопасность при эксплуатации лазерных установок.
- •Лабораторная работа № 20 анализ спектров испускания веществ с помощью монохроматора
- •Ход работы:
- •Порядок работы на монохроматоре специальном дифракционном мсд-2
- •Вопросы теории.
- •Структура энергетических уровней сложных молекул. Молекулярные спектры.
- •Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами.
- •Таким образом, энергия электрона, связанного в атоме с ядром, отрицательна. Энергия свободного электрона равна нулю.
- •Структура энергетических уровней сложных молекул. Молекулярные спектры.
- •Эмиссионный и абсорбционный спектральный анализ, его медицинское применение.
- •Спектроскопы, спектрографы, монохроматоры, спектрофотометры и их применение в медицине.
- •Лабораторная работа № 20 анализ спектров испускания веществ с помощью монохроматора
- •Ход работы:
- •Порядок работы на монохроматоре специальном дифракционном мсд-2
- •Вопросы теории.
- •Структура энергетических уровней сложных молекул. Молекулярные спектры.
- •Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами.
- •Таким образом, энергия электрона, связанного в атоме с ядром, отрицательна. Энергия свободного электрона равна нулю.
- •Структура энергетических уровней сложных молекул. Молекулярные спектры.
- •Эмиссионный и абсорбционный спектральный анализ, его медицинское применение.
- •Спектроскопы, спектрографы, монохроматоры, спектрофотометры и их применение в медицине.
- •Исследование спектров люминесценции
- •Ультрафиолетовое излучение. Первичные механизмы действия ультрафиолетового излучения на биологические объекты.
- •Уф условно делится на три области
- •Спектры поглощения и флюоресценции некоторых биологически важных соединений. Сплошные кривые – оптическая плотность, кривые пунктиром – интенсивность флюоресценции.
- •2. Устройство и принцип работы ртутных ламп
- •Вопрос 3. 10 минут
- •3. Инфракрасное излучение. Первичные механизмы действия инфракрасного излучения на биологические объекты. Аппараты светолечения.
- •4. Люминесценция, ее виды. Характеристики люминесценции (спектр, длительность, квантовый выход). Законы Вавилова и Стокса.
- •Фотолюминесценция. Правило Стокса.
- •Флуоресценция и фосфоресценция.
- •Синглетная
- •Хемилюминесценция. Собственная, активированная и биолюминесценция Классификация хемилюминесценции.
- •Молекулярный механизм хемилюминесценции.
- •Собственное свечение клеток и тканей животных
- •Активированная хемилюминесценция
- •Задание для студентов по лабораторной работе № 23
- •Лабораторная работа № 23 Определение толщины слоя половинного ослабления ионизирующего излучения для различных материалов
- •2. Порядок работы
- •4. Выполнение работы
- •Рентгеновское излучение
- •26.1. Устройство рентгеновской трубки. Тормозное рентгеновское излучение
- •26.2. Характеристическое рентгеновское излучение. Атомные рентгеновские спектры
- •26.3. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
- •26.4. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине
- •Задание для студентов по лабораторной работе № 24 «Определение удельной массовой или объемной активности пищевых продуктов радиометром»
- •Задачи.
- •Определить период полураспада u234, если его содержание в естественном уране составляет 0,006%. Лабораторная работа № 24 Определение объемной и удельной активности проб радиометром
- •Порядок работы.
- •Где Аист- паспортное значение активности источника цезий-137 осги, Бк. Вместо Nфонберем Ошибка и доверительный интервал чувствительности радиометра равна
- •Чувствительность радиометра с ошибкой равна σ±Δσ
- •Основные характеристики ядер атомов.
- •27.1. Радиоактивность
- •27.2. Основной закон радиоактивного распада. Активность
- •27.3. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
- •Величина лпэ в кэВ/мкм зависит от плотности вещества.
- •Методы получения радионуклидов.
- •27.4. Физические основы действия ионизирующих излучений на организм
- •27.6. Использование радионуклидов и нейтронов в медицине
- •27.7. Ускорители заряженных частиц и их использование в медицине
- •Республиканские допустимые уровни содержания радионуклидов цезия-137 и стронция-90 в пищевых продуктах и питьевой воде (рду-99)
- •Задание для студентов по лабораторной работе № 25 «Дозиметрия ионизирующего излучения. Определить интегральную дозу накопления радионуклидов для каждого студента»
- •Задачи.
- •Дозиметрия ионизирующего излучения. Определить интегральную дозу накопления радионуклидов для каждого студента.
- •Подготовка к работе
- •Контроль точности
- •Где Аист- паспортное значение активности источника цезий-137 осги, Бк. Вместо Nфонберем Ошибка и доверительный интервал чувствительности радиометра равна
- •Регистрация результатов измерений
- •Элементы дозиметрии ионизирующих излучений
- •28.1. Доза излучения и экспозиционная доза. Мощность дозы
- •28.2. Количественная оценка биологического действия ионизирующего излучения. Эквивалентная доза
- •28.3. Дозиметрические приборы
- •28.4. Защита от ионизирующего излучения
- •Дозиметрия ионизирующего излучения Введение
- •Дозиметрия ионизирующего излучения. Поглощенная доза.
- •Мощность дозы.
- •Внесистемная – рад
- •Экспозиционная и эквивалентная дозы.
- •Связь мощности дозы и активности.
- •Естественный радиационный фон.
- •Детекторы ионизирующего излучения.
- •Дозиметрическими приборами. Авторадиография.
Порядок работы
1. Определение температурной зависимости поверхностного натяжения. В сосуд 6 при комнатной температуре наливают 20 см3 исследуемой жидкости (этиловый спирт) и закрывают его пробкой, сквозь которую пропущена капиллярная трубка 5. Капиллярную трубку опускают так, чтобы ее узкий конец только касался поверхности исследуемой жидкости. Закрыв кран //, в сосуд 3 заливают воду до уровня патрубка. Затем закрывают кран 2 и из сосуда 3, регулируя краном //, выпускают воду так, чтобы она вытекала в виде капель с частотой не больше 1 капли в секунду. При некотором разрежении в сосуде 6 через капиллярную трубку 5 будут выталкиваться пузырьки воздуха. В момент проталкивания пузырьков по манометру 1 несколько раз измеряют максимальную разность Δht ( уровней манометра. Затем включают нагреватель (4, 8) и через 5° таким же способом отмечают разности давлений Δht при соответствующих температурах, измеряемых термометром 7. Поскольку при включенном нагревателе тем пература с некоторой скоростью растет, то определять разности давлений Δht следует при выключенном нагревателе. Нагреватель выключают на 0,5° раньше намеченной температуры. Промыв два три раза сосуд 6 и капиллярную трубку 5 дистиллированной водой, в сосуд наливают 20 см3 дистиллированной воды и аналогичным способом при тех же температурах определяют разность давлений Δh0t По найденным средним значениям Δht и Δh0t и табличным значениям коэффициента поверхностного натяжения a0t воды при тех же температурах находят соответствующие значения at исследуемой жидкости. Результаты эксперимента, табличные и расчетные величины заносят в таблицу. Откладывая по оси абсцисс температуру, а по оси ординат — соответствующие значения коэффициента поверхностного натяжения, вычерчивают график температурной зависимости поверхностного натяжения исследуемой жидкости. В случае недостатка времени при вычислении at можно взять среднее от двух значений Δh0t, одна из которых найдена при комнатной, а другая — при конечной температуре.
Определяемые величины |
Примечания | |||||||||
t,0C |
|
|
|
|
|
|
|
|
a0 |
Δh0t |
Δht |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
at |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определение поверхностного натяжения раствора спирта. Налив в сосуд 20 см3 дистиллированной воды при комнат ной температуре, аналогичным образом находят Δh0. Затем, промыв капиллярную трубку и сосуд 10%-ным раствором спирта и налив в сосуд 20 см3 спирта той же концентрации, находят Δhc10. По табличным значениям а0 и найденным вели чинам Δh0 и Δhc10 определяют аc10 и убеждаются в том, что на личие спирта снижает поверхностное натяжение воды. Если в сосуд залить 20, 30%-ные и так далее растворы спирта, то при комнатной температуре можно исследовать зависимость а от концентрации раствора и убедиться в том, что с ростом концентрации спирта коэффициент поверхностного натяже ния а уменьшается.
Определение поверхностного натяжения на границе двух несмешивающихся жидкостей. Высушив сосуд 6 и капилляр ную трубку 5, в сосуд при комнатной температуре вначале наливают 20 см3 четыреххлористого углерода, а затем такое же количество дистиллированной воды. Капиллярную трубку
62 опускают так, чтобы узкий конец ее касался поверхности че-тыреххлористого углерода, граничащей с водой, и аналогичным способом находят Δhчу. По данным Δh0, а0при комнатной температуре и найденному значению Δhчу определяют коэффициент поверхностного натяжения ачу двух несмешивающихся жидкостей.
Особенности молекулярного строения жидкостей
Обычные жидкости изотропны, структурно они являются аморфными телами. Для внутреннего строения жидкостей характерен ближний порядок в расположении молекул (упорядоченное расположение ближайших частиц). Расстояния между молекулами невелики, силы взаимодействия значительны, что приводит к малой сжимаемости жидкостей: небольшое уменьшение расстояния между молекулами вызывает появление больших сил межмолекулярного отталкивания.
Подобно твердым телам, жидкости мало сжимаемы и обладают большой плотностью, подобно газам, принимают форму сосуда, в котором находятся. Такой характер свойств жидкостей связан с особенностями теплового движения их молекул. В газах молекулы движутся беспорядочно, на малых отрезках пути — поступательно, в расположении частиц отсутствует какой-либо порядок. В кристаллических телах частицы колеблются около определенных положений равновесия — узлов кристаллической решетки. По теории Я. И. Френкеля молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, колеблются около положений равновесия, однако эти положения равновесия не являются постоянными. По истечении некоторого времени, называемого временем «оседлой жизни», молекула скачком переходит в новое положение равновесия на расстояние, равное среднему расстоянию между соседними молекулами.
Вычислим среднее расстояние между молекулами жидкости. Можно мысленно представить весь объем жидкости разделенным на небольшие одинаковые кубики с ребром 5. Пусть в среднем в каждом кубике находится одна молекула. В этом случае 5 можно рассматривать как среднее расстояние между молекулами жидкости. Объем жидкости равен V = &3N, где N — общее количество молекул жидкости. Если п — концентрация молекул (количество молекул в 1 м3), то N = nV. Из этих уравнений получаем
(7.18)
.
Среднее время «оседлой жизни» молекулы называют временем релаксации т. С повышением температуры и понижением давления время релаксации сильно уменьшается, что обусловливает большую подвижность молекул жидкости и меньшую ее вязкость.
Для того чтобы молекула жидкости перескочила из одного положения равновесия в другое, должны нарушиться связи с окружавшими ее молекулами и образоваться связи с новыми соседями. Процесс разрыва связей требует затраты энергии Еа (энергии активации), выделяемой при образовании новых связей. Такой переход молекулы из одного положения равновесия в другое является переходом через потенциальный барьер высотой £а. Энергию для преодоления потенциального барьера молекула получает за счет энергии теплового движения соседних молекул. Зависимость времени релаксации от температуры жидкости и энергии активации выражается формулой, вытекающей из распределения Больцмана (см. § 2.4).
где т0 — средний период колебаний молекулы около положения равновесия.
(7.20)
Эта скорость мала по сравнению со средней скоростью движения молекул в газе. Так, например, для молекул воды она в 20 раз меньше, чем для молекул пара при той же температуре.
Поверхностное натяжение
На поверхностях раздела жидкости и ее насыщенного пара, двух несмешиваемых жидкостей, жидкости и твердого тела возникают силы, обусловленные различным межмолекулярным взаимодействием граничащих сред.
Каждая молекула, расположенная внутри объема жидкости, равномерно окружена соседними молекулами и взаимодействует с ними, но равнодействующая этих сил равна нулю. На молекулу, находящуюся вблизи границы двух сред, вследствие неоднородности окружения действует сила, не скомпенсированная другими
Поверхностное натяжение (коэффициент поверхностного натяжения) определяется отношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при постоянной температуре, к площади этой поверхности:
(7.21)
Условием устойчивого равновесия жидкостей является минимум энергии поверхностного слоя, поэтому при отсутствии внешних сил или в состоянии невесомости жидкость стремится иметь минимальную площадь поверхности при данном объеме и принимает форму шара.
Поверхностное натяжение может быть определено не только энергетически. Стремление поверхностного слоя жидкости сократиться означает наличие в этом слое касательных сил — сил поверхностного натяжения. Если выбрать на поверхности жидкости некоторый отрезок длиной I (рис. 7.8), то можно условно изобразить эти силы стрелками, перпендикулярными отрезку.
Поверхностное натяжение равно отношению силы поверхностного натяжения к длине отрезка, на котором действует эта сила:
(7.22)
Из школьного курса физикиизвестно, что оба определения, (7.21) и (7.22), тождественны. Приведем значения поверхностного натяжения для некоторых жидкостей при температуре 20 °С(табл. 15).
Таблица 15
Жидкость |
а, Н/м |
Жидкость |
а, Н/м |
Вода |
0,0725 |
Ртуть |
0,47 |
Желчь |
0,048 |
Спирт |
0,022 |
Молоко |
0,05 |
Сыворотка крови |
0,06 |
Моча |
0,066 |
Эфир |
0,017 |
Поверхностное натяжение зависит от температуры. Вдали от критической температуры значение его убывает линейно при увеличении температуры. Снижения поверхностного натяжения можно достигнуть введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя.
Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления
На границе соприкосновения различных сред может наблюдаться смачивание или несмачивание.
На рисунках показана капля жидкости на поверхности другой, не смешивающейся с ней жидкости (рис. 7.9) и на поверхности твердого тела (рис. 7.10 и 7.11). На поверхностях раздела каждых двух сред (1 и 3, 2 и 1, 3 и 2) действуют силы поверхностного натяжения (показаны стрелками). Если эти силы разделить на длину окружности капли (границы трех сред), то получим соответственно σ13, σ21, σ32.
Угол 9 между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости, отсчитываемый через нее, называют краевым.
За меру смачивания принимают величину
(7.23)
Если σ32 < σ13 (см. рис. 7.10), то θ < π/2, и жидкость смачивает твердое тело, поверхность которого в этом случае называется гидрофильной. В случае σ32 < σ13 (см. рис. 7.11) θ > π/2, жидкость не смачивает тело, поверхность его в этом случае называют гидрофобной. Несмачивающая жидкость не протекает через малые отверстия в твердом теле. При σ32 - σ13 > σ21 краевой угол определить нельзя, так как cos 6 не может быть больше единицы. В этом случае капля растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всей его поверхности или пока не образуется мономолекулярный слой. Такой случай является идеальным смачиванием
. К нему с некоторым приближением можно отнести растекание спирта или воды по чистой поверхности стекла, нефти по воде и пр.
Под действием сил поверхностного натяжения поверхностный слой жидкости искривлен и оказывает дополнительное по отношению к внешнему давление Δр. Поверхностный слой подобен упругой оболочке, например резиновой пленке. Результирующая сил поверхностного натяжения искривленной поверхности направлена в сторону вогнутости (к центру кривизны). В случае сферической поверхности, радиус кривизны которой r, дополнительное давление
Δр = 2 σ/r. (7.24)
Искривление поверхности (мениск), в частности, возникает в узких (капиллярных) трубках в результате смачивания или несмачивания жидкостью их поверхности. При смачивании образуется вогнутый мениск (рис. 7.12). Силы давления направлены от жидкости наружу, т. е. вверх, и обусловливают подъем жидкости в капилляре. Это равновесное состояние, показанное на рисунке, наступает тогда, когда давление ρgh уравновесит Δр.
где R- радиус капилляра
Поэтому [(см. (7.24)] получаем
(7.25)
(7.26)
т. е. зависит от свойств жидкости и материала капилляра, а также от его радиуса.
В случае несмачивания cos θ < 0 и формула (7.26) покажет высоту опускания жидкости в капилляре.
Капиллярные явления определяют условия конденсации паров, кипения жидкостей, кристаллизации и т. п. Так, например, на молекулу
пара (рис. 7.13; точка А) над вогнутым мениском жидкости действует больше молекул жидкости и, следовательно, большая сила, чем при выпуклом мениске (показаны стрелками). Это видно из рис. 7.13, на котором штриховыми линиями условно показаны сферы молекулярного действия, а заштрихованные участки — объемы жидкости, молекулы которых притягивают выделенную молекулу пара. В результате этого возникает капиллярная конденсация в смачиваемых тонких трубках даже при
сравнительно малой влажности воздуха. Благодаря этому пористые вещества могут задерживать значительное количество жидкости из паров, что приводит к увлажнению белья, ваты в сырых помещениях, затрудняет сушку гигроскопических тел, способствует удержанию влаги в почве и т. п. Наоборот, несмачивающие жидкости не проникают в пористые тела. С этим связана, например, непроницаемость для воды перьев птиц, смазанных жиром.
Рассмотрим поведение пузырька воздуха, находящегося в капилляре с жидкостью. Если давление жидкости на пузырек с разных сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь одинаковый радиус кривизны, и силы дополнительного давления будут уравновешивать друг друга Fv = —F2 (рис. 7.14, а). При избыточном давлении с одной из сторон, например при движении жидкости, мениски деформируются, изменятся их радиусы кривизны (рис. 7.14, б), дополнительное давление Ар с разных сторон станет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пузырька воздуха (газа), которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут происходить в кровеносной системе человека.
Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называемое эмболией, может привести к серьезному функциональному расстройству или даже летальному исходу. Так, воздушная эмболия может возникнуть при ранении крупных вен: проникший в ток крови воздух образует воздушный пузырь, пре-
пятствующий прохождению крови. Пузырьки воздуха не должны попадать в вены при внутривенных вливаниях.
Газовые пузырьки в крови могут появиться у водолазов при быстром подъеме с большой глубины на поверхность, у летчиков и космонавтов при разгерметизировании кабины или скафандра на большой высоте (газовая эмболия). Это обусловлено переходом газов крови из растворенного состояния в свободное — газообразное — в результате понижения окружающего атмосферного давления. Ведущая роль в образовании газовых пузырьков при уменьшении давления принадлежит азоту, так как он обусловливает основную часть общего давления газов в крови и не участвует в газообмене организма и окружающего воздуха.
СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ
На молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, действуют добавочные силы — силы поверхностного натяжения. Изменяя величину поверхности жидкости, эти силы могут совершать работу. Поэтому поверхностный слой обладает (по сравнению с остальной массой жидкости) добавочной свободной энергией. Величину этой свободной энергии легко вычислить на таком примере (рис.). Рассмотрим рамку ABCD, па которой находится пленка жидкости; сторона CD — подвижная. На сторону CD, если ее длина равна l, действует сила поверхностного натяжения F=σ• l, где σ — коэффициент поверхностного натяжения. Эта сила стремится уменьшить поверхность жидкости, т. е. передвинуть сторону CD в положение C'D'. При этом совершается работа dA = F-dx — σ ldx = σ • dS, где dS — изменение площади поверхности жидкости. Если не учитывать потерь на трение, то есть считать процесс обратимым, то работа равна изменению свободной энергии (dA — dF), поэтому можно считать, что изменение свободной энергии равно а сама свободная энергия
поверхностного слоя жид костиI
|
Абсолютное значение поверхностной свободной энергии невелико. Тем не менее в ряде случаев эта энергия может играть существенную роль в практике. Так, поверхность пузырька, находящегося в жидкости, обладает добавочной свободной энергией. Согласно второму началу термодинамики, такая система (жидкость + пузырек) стремится перейти в состояние с меньшей свободной энергией, а это значит, что пузырек стремится сократить свою поверхность, то есть сжаться. Поэтому в пузырьке возникает дополнительное давление, величину которого можно найти по формуле Лапласа: где r— радиус пузырька. Если радиус велик, это добавочное давление незначительно, но в очень маленьких пузырьках оно приобретает важное значение. Например, если радиус пузырька равен радиусу кровеносного капилляра человека (около 10 мкм), то
что заметно превосходит давление крови в капиллярах (около 4 кПа). На первый взгляд кажется, что силы давления в пузырьке должны уравновешиваться (рис. 3, а), и поэтому пузырек не должен мешать движению крови. На самом деле, однако, пузырек в кровеносном сосуде имеет форму не
сферы, а более сложного тела (рис. 3,6). Под влиянием напора крови поверхность пузырька, обращенная навстречу току крови, уплощается (на рис. 3,6 слева), а противоположная поверхность — вытягивается (на рис. 3,6 справа). В результате сила давления слева будет меньше (так как там больше радиус), чем с противоположной стороны. Возникает результирую-щая сила, всегда направленная навстречу кровотоку. Поэтому пузырек газа может закупорить кровеносный сосуд не менее плотно, чем твердая частица, вследствие чего может возникнуть газовая (воздушная) эмболия. По этой причине очень опасны ранения вен: так как в венах давление близко к атмосферному, воздух способен проникнуть внутрь вены и, раздробившись на множество мелких пузырьков, стать причиной тяжелых расстройств кровообращения, приводящих нередко к гибели человека.и .
Многие вещества влияют на поверхностное натяжение: одни — в сторону увеличения, другие — в сторону уменьшения его. При растворении веществ, повышающих поверхностное натяжение, свободная энергия должна увеличиваться, что термодинамически невыгодно. Поэтому молекулы таких веществ будут уходить из поверхностного слоя в глубь жидкости. Влияние подобных веществ (например, Сахаров) на поверхностное натяжение раствора, оказывается в целом незначительным. Совсем другой результат получится при растворении веществ, снижающих коэффициент поверхностного натяжения. В этом случае свободная энергия поверхностного слоя будет уменьшаться, что термодинамически выгодно. Поэтому молекулы растворенного вещества концентрируются именно в поверхностном слое.
Вещества, уменьшающие силы поверхностного натяжения, называются поверхностноактивными (ПАВ). Из сказанного выше ясно, что поверхностно-активные вещества даже в небольших количествах сильно влияют на поверхностное натяжение, так как их концентрация в поверхностном слое, где они действуют, оказывается намного больше средней концентрации, рассчитанной на весь объем жидкости. Поверхностноактивные вещества играют существенную роль в природе и технике. Остановимся на нескольких примерах. Известно, что одним из механизмов борьбы с инфекцией является фагоцитоз — захват и разрушение микроорганизмов лейкоцитами. Оказалось, что в этом явлении большое значение имеют поверхностные явления. Дело в том, что большинство микроорганизмов выделяет Поверхностноактивные вещества. Представим себе лейкоцит, около которого находится микроорганизм. В результате действия ПАВ, выделяемых микробом, силы поверхностного натяжения в той части оболочки лейкоцита, которая направлена к микробу, ослабевают, тогда как в других ее частях — остаются неизменными. Возникает результирующая сила, направленная в сторону микроба и обусловливающая движение лейкоцита к нему. После вступления лейкоцита в контакт с микробом развивается сложный комплекс процессов разрушения и переваривания микроорганизма.
Другим примером могут служить процессы пищеварения, в частности переваривание жиров. Оно эффективно только в том случае, если капли жира будут в кишечнике раздроблены на мельчайшие капельки Этому процессу мешают силы поверхностного натяжения: при превращении большой капли в маленькие общая поверхность возрастает, а следовательно, увеличивается и свободная энергия, что термодинамически невыгодно. Процесс размельчения значительно облегчается, если подействовать на каплю жира каким-либо ПАВ. При этом коэффициент поверхностного натяжения снижается, а значит, уменьшается и свободная энергия. Такие ПАВ выделяются в просвет кишки в составе желчи — это соли желчных кислот. При наруше-
нии желчеотделения процессы переваривания и всасывания жиров резко ослабевают.
Очень большое значение имеют поверхностные явления в легких. Поверхность легочных альвеол всегда покрыта тонкой пленкой жидкости. Возникающие в этой пленке силы поверхностного натяжения могут привести к слипанию альвеол (подобно тому как слипаются два мокрых листка бумаги), потому что при этом свободная поверхностная энергия уменьшается. Ясно, что если стенки альвеол слипнутся, дыхание станет невозможным. Этому препятствует так называемый сурфактант — своеобразный мембранный комплекс, выделяемый альвеолярным эпителием на поверхность. Сурфактант обладает высокой поверхностной активностью. Благодаря ему силы поверхностного натяжения значительно уменьшаются и слипания альвеол не происходит. Нарушение продукции сурф актанта приводит к тяжелым расстройствам дыхательной функции. В следующем разделе сурфактант будет охарактеризован подробнее.
К ПАВ относятся все моющие средства, как естественные (мыла), так и синтетические. Представим частицу грязи, лежащую на поверхности кожи. Чтобы смыть ее, вода должна проникнуть между частицей и кожей, но этому препятствует сила поверхностного натяжения. Так как щель между частицей и кожей очень узкая, т. е. величина г в формуле (15) мала, возникающее здесь добавочное давление велико и сильно мешает затеканию жидкости под частицу. Если добавить к жидкости ПАВ, добавочное давление уменьшается; в результате грязь смывается значительно легче. Кроме влияния на поверхностное натяжение мыло действует и химически, способствуя растворению жиров, однако именно сочетание химического действия с поверхностной активностью обеспечивает наилучший моющий эффект. Опыт показывает, что все моющие средства обладают высокой степенью поверхностной активности, то есть сильно снижают значение коэффициента поверхностного натяжения.
Поверхностно активные вещества необходимы для удаления продуктов радиоактивного распада, химических отравляющих веществ и различных видов биологического оружия с поверхности тела человека, с его одежды, объектов военной техники в очагах массового поражения. В этих условиях требуется применение наиболее эффективных моющих средств, для чего был произведен синтез большого ряда новых ПАВ. Многие из них нашли применение и в различных областях народного хозяйства.
Задание для студентов Лабораторная работа №7
«Определение по ударному объёму крови сердца энергозатрат, кпд , расхода кислорода, при совершении механической работы.»
Цель работы:На основании параметров функционирования сердечно-сосудистой системы (Vуд, МОК,f) при различных состояниях – в покое и после выполнения физической работы, определить количество энергии затрачиваемое организмом на выполнение физической работы и расход кислорода, найти кпд при выполнении механической работы.
.
Вопросы теории (исходный уровень):
Основные понятия гидродинамики. Условие неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Течение вязкой жидкости, формулы Ньютона и Пуазейля. Гидродинамическое сопротивление..( лекция №5)
Реологические свойства крови. Факторы, влияющие на вязкость крови в организме. Распределение давления крови по сосудистой системе. Роль эластичности сосудов, особенности течения крови по крупным и мелким кровеносным сосудам.пульсовая волна. Работа и мощность сердца. (лекция №6).
Применение уравнения Бернулли для исследования кровотока в крупных артериях и аорте (закупорка артерии, артериальный шум, поведение аневризмы). Распределение скорости кровотока и кровяного давления в большом круге кровообращения. Методы определения давления и скорости крови. (самостоятельная подготовка)
Содержание занятия:
Выполнить работу по указаниям в руководстве к данной работе.
Оформить отчет.
Защитить работу с оценкой.
Решить задачи.