物理学绪论 第二章 ppt课件

医 用 物 理 学 Medical physics （理论课：36学时；实验课：24学时） 主讲：张燕 Tel: 5358700 (O)E-mail: wulizy (物理学教研室 ) 主讲教师: 张 燕 副教授 教研室副主任 1986年6月:毕业于广西师范大学 学士学位 1993年6月:毕业于北京医科大学 硕士学位 中国医学物理学会会员 广西光学学会理事 广西医学学会激光医学 分会委员 九三学社广西区委会委员 物理学的 真 善 美 绪 论 Preface 一. 物理学的研究对象 * 物理学：是研究物质运动的普遍性质和基本 规律的科学。 * 物理学的研究对象： 机械运动、分子热运动、电磁运动、光学、 原子与原子核及其内部运动等。 *医学物理学：学习医学所必需的物理学基础知识. 二 .物理学与科学技术 物理学为其他学科创立技术和原理 重大新技术领域的创立总是经历长期的物 理酝酿 如 微电子技术的发展 物理学满足人类所深刻认识到的最根本的 程度上了解自然界的需要 (美国物理学评 述委员会) 1 任何生命过程都与物理过程密切 联系，生命现象的本质 诸如能量的交换、信息的传递、体内控制 和调节、疾病发生机制、物理因素对机体的 作用等，都必须遵循物理学规律。随着物理 学在生物医学领域的日益深入，它对阐明生 命的本质不断作出新的发现 三. 物理学与医学的关系 物理学是生命科学的基础： *生理过程： 肌肉收缩、神经电传导、视觉调节 、血液循环、能量代谢、心电和脑电、细胞 膜通道的物质输运、蛋白质的合成等。 *生存环境： 大气电离层、电磁污染、放射线污染等。 *物理学与生命科学的交叉科学： 生物物理学、生物医学工程学、血液流 动力学、超声医学、放射医学、激光医学、 医学影像物理学等。 物理学为医学和医疗提供新的方法和技术： *显微镜： 光学显微镜-微生物组织、细胞形态等； 电子显微镜-细胞内结构、生物大分子等； *光学纤维内镜： 器官内壁组织形态等； *X射线：X光摄影、X光透视、X-CT、 X光子刀治疗肿瘤等； *激光：眼科手术、溶栓术、美容等； *物理断层技术：B超、X-CT、ECT、核磁共振等； 超声波在医学诊断中的应用 医 用 内 窥窥 镜镜 准分子激光治疗近视 X-ray Photography X光摄影、X光透视 X射线计算机断层成像（X-CT ) 正电子发射型计算机断层成像 Magnetic Resonance Imaging (MRI) 核磁共振成像 不少早期物理学家对医学的发展作出重要贡献： 伽利略（15641642）：制成脉搏计。 A.Borell (16081636)：计算人体肌肉的力的传导。 伏打(意)(17371798)：阐述蛙肌上的生物电。 T.Young(17731829)研究人眼光学调节作用及色觉原理 牛顿和泊肃叶（17781829）：研究血液的粘性流动。 伦琴（18351923）：发现X射线后两周应用于临床。 目前： X光透视；X-CT。 提出命题提出命题 修改理论修改理论 推测答案推测答案 理论预言理论预言 实验检验实验检验应 应 用用 b演绎法 推理 演算 b归纳法 假设 模型 b定性和半定量 直觉 想象力 洞察力 物理学的研究方法 大学物理与中学物理的区别 1. 教学内容 中学物理研究特殊性问题 大学物理研究一般 性问题 2. 数学工具 中学物理以初等数学和几何学为工具 大学物理以高等数学为工具 3. 学习方式 中学物理讲授内容和知识的消化全部在课内进行 大学物理课上以讲授知识为主，课下自已消化理解。 所以，大学课堂，教学内容多，进行速度快， 作业数量少而精。 注意几个问题： 1.学习中自学能力的培养； 2.重视实验; 4.期评成绩：平时测验和实验占20%, 期考占80%； 5.下列情况者可在期评成绩中加1-5分： 能写出较好的科普文章； 3.作好习题, 老师随时抽查; 参考文献 1. 严导淦编物理学第3版，高等教育出版社 2. 程守洙、江之永遍普通物理学第5版，高等 教育出版社 3. 马文蔚编物理学第4版，高等教育出版社 4. 张三慧编大学物理学第2版，清华大学出版 社 5. 吴百诗编大学物理新版，科学出版社 如果将字母 A 到 Z 分别编上 1 到 26 的分数，(A=1,B=2.,Z=26) 你的知识(KNOWLEDGE)得到 96 分 (11+14+15+23+12+5+4+7+5=96) 你的努力(HARDWORK)也只得到 98 分 (8+1+18+4+23+15+18+11=98) 你的态度(ATTITUDE)才是左右你生命的全 部(1+20+20+9+20+21+4+5)=100 l内容： l第一节 理想流体 连续性方程 l第二节 伯努利方程 l第三节 粘性流体的运动 l第四节 泊肃叶定律 l第五节 血流动力学与流变学基础 第二章 流体的运动 The Motion of Fluid 掌握:理想流体和定常流动的概念；连续性方程及其 应用；伯努利方程和物理意义及其应用；层流和湍流 概念；液体的粘滞系数和流阻概念；泊萧叶定律及其 应用。 熟悉:牛顿粘滞定律；雷诺数；粘性流体的粘滞性及 产生的原因；斯托克斯公式及应用（沉降速度）；流 量计和流速计的原理。 了解: 流管和流场概念；人体血循环系统中血流的特 点；血流速度与血管中血压的分布；粘性流体伯努利 方程物理意义；牛顿流体与非牛顿流体。 * 流体静力学(hydrostatics)： * 流体（fluid）： 气体和液体都具有流动性， 统称为流体。 研究静止流体规律. *流体动力学(fluid dynamics) ：研究流体运动. *人体中的流体运动现象： 血液流动，呼吸气 体运动等。 第一节 理想流体 连续性方程 一、流体运动的研究方法 二、定常流动 三、连续性方程 一、流体运动的研究方法 ： 1.两种研究方法 (1). Lagrange （拉格朗日）方法 ： 选择一个流体质点，跟踪观察,描述其运动参数( 位移、速度等）与时间的关系. (2). Euler （欧拉）方法 ： 在固定空间位置观察流体质点的运动情况，如 空间某点的速度、压强和密度等。描述其运动参数在 空间的分布及随时间的变化情况。 2.理想流体(ideal fluid): (2).没有内摩擦力 (no internal friction) (1).绝对不可压缩 (incompressibility) 1000atm water V V V/V=5% (或:完全没有粘性) 3、流速场、流线、流管 （2）流线（streamline）： （1）流速场（field of flow） 在流体所占据的空间每一点上,流经该点的 质元均具有流速。这一空间称为流速场。 A B C vA vB vC （流线不相交.) 圆 柱机 翼 在任一瞬间，可在流体中划这样一些线，使这 些线上各点的切线方向和流体质元在该点的速度 方向相同，这些线叫做这一时刻的流线。 （3）流管（ tube of flow）： *定常流动中流线形状和流管形状不随时间变化； *流线不相交流管内外无流体交换； 流体中通过某小截面积周边各点的流线所组 成的管状物。 二.定常流动（steady flow） （稳定流动） A B C vA vB vC 定常流动：流体中流线上各点的速度都不随时间而变 流场 一般情况下，在流 体流动过程中的任意 时刻，流体所占据的 空间任意点的流速： 若流速分布不随时间 变化 ： （1）流线形状不变；（2）流线就是流体粒子运动的轨迹。 （3）流线不相交流管内外无流体交换 例子： 流线 定常流动 S1 S2 v1 1 2 v2 经过S1的流体质量： v1t v2t m2=2(v2t)S2=2S2v2t经过S2的流体质量： m1=1(v1t)S1=1S1v1t 设流体为稳定流动，流管形状不随时间变化。 三.连续性方程（equation of continuity) 1S1v1 =2S2v2 m1= m2 经过t(t0)时间后： 连续性方程（equation of continuity）： 1S11 =2S22 或 S=常量 在定常流动中，同一流管的任一截面处的流 体密度、流速和该截面面积的乘积为一常量。 对于不可压缩流体，即1 =2 则有 即： S与成反比； S11 = S22 或 S=常量 1S11 =2S22 或 S=常量 S11 = S22 或 S=常量 连续性方程（equation of continuity）： (1 =2) S与成反比 : 流管粗细变化引起流速变化：流管狭窄流速大流线密集。 （前提：不可压缩流体在同一流管中作定常流动） 资 源 五 排 河 漂 流 1S11 =2S22 或 S =常量 S11 = S2 2 或 S =常量 连续性方程（equation of continuity）： 体积流量（S）守恒：单位时间内通过任一 横截面的流体体积（单位为 m3/s）相等。 质量流量（S）守恒：单位时间内通过任一 横截面的流体质量（单位为 kg/s）相等。 描写 意义 特例 应用 血管中流速与截面之间的关系 左心室右心房 主动脉毛细血管 腔静脉 S v 3cm2 900cm2 18cm2 30cms-1 1mms-1 5cms-1 第二节 伯努利方程 伯努利家族,科学世家, 3代人中产生了8位科学家 ，多数为数学家，他们沉溺于数学就像酒鬼碰到了 烈酒. 丹尼尔伯努利，1700年1月29日生于瑞士。 他自幼兴趣广泛，先后就读于尼塞尔大学、斯特拉 斯堡大学和海德堡大学，学习逻辑、哲学、医学和 数学。1724年，丹尼尔获得有关微积分议程的重 要成果，从而轰动了欧洲科学界。他还把牛顿力学 引入对流体力学的研究，其著名的流体力学一 书影响深远。他同时还是一位气体动力学专家。 （图）为航空提供依据的丹尼尔伯努利 外力和非保守内力对系统作功之和等于系统 机械能的增量 A外+ A非保内= E = Ek + Ep 保守力 凡做功与路径无关，而只与起点及终点位置 有关的力，均称作保守力.如重力、万有引力、弹性力 的功都只与始、末位置有关，而与中间路径的长短和 形状无关。 作功与路径有关的力称为非保守力，例如: 摩擦力 。 功能原理功能原理 第二节 伯努利方程 X Y *研究对象： 作定常流动的X-Y段理想流体。 *研究系统： 流管+地球。 在t内，X-Y段流体移动到X-Y段 ； X Y 一.伯努利方程 设y处：S2、2、F2、h2； 在短时间t（t0）内，流体XY移至xy 根据功能原理推导方程： A外+ A非保内=Ek + Ep 设x处：S1、1、F1、h1； A= F11t- F22t= P1S1 1t- P2S22t (S11t = S2 2t =V)A=(P1 -P2 )V x F1 1 h1 S1 y S2 2 F2 h2 x y 1t 2t 外力作功： P1 P2 动能的增量： 在短时间t（t0）内， 势能的增量： x F1 1 h1 S1 y 2 F2 h2 x y 1t 2t 机械能增量 根据功能关系 以V除各项，整理得 或 (m=V) 伯努利方程（Bernoulli equation）： 伯努利方程只适用于理想流体的定常流动。 单位体积动能 动压 单位体积重力势能 静压 单位体积压强能 理想流体在流管中作定常流动时，单位体积的 动能、重力势能以及该点的压强之和为一常数 。 伯努利方程各 项的物理含义 1。P是绝对压强. 绝对压强与计示压强 注意： 2。根据零势面的不同选择， h可正可负可为零. S2 P2 h2 2 例题：设有流量为0.12m3s-1的水流过如图所示的管子 。A点的压强为2105Pa，A点的截面积为100cm2，B点的 截面积为60cm2 ，B点比A点高2m。假设水的内摩擦可以 忽略不计，求A、B点的流速和B点的压强。 PA 1 S2 PB hB B A B SA SB A 流量（体积流量）= S PB +(1/2)B2 +ghB =PA+(1/2)A2 思路: PA PB hB B已知：Q=0.12 m3/s A： SA=10-2 m2 PA=2105 N/m2 hA= 0; A =? B： SB=6010-4 m2；PB=? ；hB= 2m; B =? 解：由连续性方程得：A=Q/ SA =12m/s B=Q/ SB =20m/s 由泊努利方程得： PB +(1/2)B2 +ghB =PA+(1/2)A2 PB =5.24104 N/m2 A B SA SB A 二. 伯努利方程的应用 1.压强和流速的关系 若流体在水平管中流动，h1=h2，则由 即在水平管中流动的流体， 流速小的地方压强较大， 流速大的地方压强较小。 应用：负压引流（空吸作用） A B 喷雾器示意图 水流抽气机示意图 ( 把漏斗插在吹风机 的风筒口处,风会把放 在漏斗中的布吹开,但 如果把乒乓球放在漏 斗里,可看到乒乓球好 象被吸住了,不会掉下 来. 船吸现象 香蕉球足球水平 運動和旋轉兩種運動 同時存在的情形 应用：“香蕉球” 汾丘里流量计 S1 S2 h 流体的流量： P2 P1 1 流速计: 即 dc vc h v 比托管 h v 2.压强与高度的关系 即高处的压强较小，低处的压强较大。 当v1=v2时或流动缓慢(v =0)时，由 压强计与 计示压强 体位对血压的影响(p37) 动脉 动脉 静脉 静脉 6.8kPa 3.两端等压的管中流速与高度的关系 当流管两端处于相同压强 时， 由伯努利方程得： 理想流体在两端等压的管中作定常流动时， 高端处的流速小，而低端处的流速大。 实例: 小孔流速 (P.30) 应用: 虹吸管 无须水泵，水往高处流，然后再 如图所示，将虹吸管一端 插入开口容器。设液体为理 想流体，密度为;大气压为 P0 。 求: （1）虹吸管中的液体流速; （2）虹吸管最高处的压强。 解：（1）选取从液面D点到C点的一条流线 ，并以C所在平面为参考点建立伯努利方程 ， 因为VD 0，PD=PC=P0， 所以 故 （2）由于虹吸管中液体流速处处相等，选 取B到C的一条流线，以C为参考面，建立伯 努利方程 因为 所以 例题2-1: 总结 学习要求 掌握理想流体和定常流动的概念、连续性方程及伯努利方 程的物理意义并熟练应用 主要内容 基本概念 理想流体 绝对不可压缩、完全没有粘滞性的流体。 定常流动 流场中各点的流速不随时间变化。 公式: 连续性方程: S11 = S2 2 或 S =常量=流量=V/t 伯努利方程: 伯努利方程的应用: 贝克汉母的“香焦球” 帆船顶风前进的动 力是什么? 飞机如何获得升力? 水翼艇是一种在艇体装有水翼的高速舰艇在通常情况 下水翼艇能以93千米小时的速度持续航行，最高航速可 达110千米小时水翼艇之所以速度么快，关键是能在 水上飞行它的飞行，全靠它那副特有的水翼 水翼的上下表面水流速不同，这就在水翼的表面造成 了上下的压强差，于是在水翼上就产生了一个向上的举力 当水翼艇开足马力到达一定的速度时，水翼产生的举力 开始大于艇体的重力，把艇体托出水面，使艇体与水面保 持一定的距离，减小了舰艇在水中的航行阻力. 作用于雨伞的伯努力原理 到水流湍急的江河里去游泳是很危险的事 . 刮风时，掀起屋顶. 火车行驶时,决不可站在离路轨很近的地方. 火车站台上都有一条安全线，严禁人们进入 安全线以内的区域. 第三节 粘性流体的流动 速度梯度： 表示A点速度沿z方向的变化率 . z 一.牛顿粘滞定律 内摩擦力（internal frictional force): 相邻流层间的切向相互作 用力，或称粘性力。 A zz 梯 度 描写v随z变化的快慢程度 内摩擦力: +d 牛顿粘性定律: 定律的另一表式: ( 切应力 ) 牛顿流体非牛顿流体 切变率 粘度：表示流体粘性的强弱。 表2-1 液体 粘度（Pas ） 水0 1.8010-3 水37 0.6910-3 水100 0.3010-3 水银 0 1.6910-3 水银 20 1.5510-3 水银 100 1.0010-3 血液 37 2.0-4.010-3 血浆 37 1.0-1.410-3 血清 37 0.9-1.210-3 血液粘度 吸烟、喝酒、油脂等。 、层流（laminar flow）和湍流(turbulent flow) 层流: 流体的分层流动. （实际流体粘性流体） 无色甘油 有色甘油 二、层流与湍流 雷诺数 湍流: 流体的流动杂乱而不稳定 . 有色甘油 无色甘油 Re000时，流体作湍流； 1000Re000时，流体流动不稳定。 雷诺数（Reynold number) （无单位） 由雷诺数判断流动类型： 层流：较粗较直的动脉血管中的血流； 湍流：血管弯曲和分叉处的血流； 血液通过心脏瓣膜时发出声音. 听诊器听诊,血压计测血压. 人体中的血液流动： 1733年，一位叫海耶斯的牧师，首次测 量了动物的血压。他用尾端接有小金属管 、长270厘米的玻璃管插入一只马的颈动脉 内，此时血液立即顷入玻璃管内，高达270 厘米，这表示马颈动脉内血压可维持270厘 米的血柱高，高度会因马的心跳而稍微升 高或降低，心脏收缩时血压升高（收缩压 ），心脏松驰时血压下降（舒血压）。 直到1856年，医生们才开始用上述方 法测量血压，但是这种方法确实令人害怕 。很幸运，一种人道的测量血压的方法很 快就问世了。1896年意大利医生里瓦罗基 发明了腕环血压计。 血压计: 腕环血压计有一条可以环绕在手臂、且能 充气的长形橡皮袋，橡皮袋一端接到打气橡皮球 上，另一端接到水银测压器或其他测压器装置上 。测压时，将橡皮袋环绕缚于上臂，然后徐徐将 空气打入橡皮袋，压力升高到一定程度时，肱动 脉被压扁，造成血液停止。然后再慢慢放气，当 橡皮袋压力低于心脏收缩排出血液时产生的动脉 压时，血液便开始恢复，用听诊器可听到脉搏跳 动，此时水银柱显示出来的压力即为收缩压。当 压力继续减少到心脏舒张时,不能阻碍血液畅通 ，此压即为舒张压。收缩压和舒张压是医生用来 判断循环系统疾病的依据. 听诊器是1816年由法国医师林奈克发明的。由于听筒 的发明，使得林奈克能诊断出许多不同的胸腔疾病，他也 被后人尊为胸腔医学之父。 1840年，英国医师乔治.菲力普.卡门改良了林奈克设 计的单耳听筒。卡门认为，双耳能更正确地诊断。他发明 的听诊器是将两个耳栓用两条可弯曲的橡皮管连接到可与 身体接触的听筒上，听筒是一中空镜状的圆椎。卡门的听 诊器，有助于医师听诊静脉、动脉、心、肺、肠内部的声 音，甚至可以听到母体内胎儿的心音。 近来又有电子听诊器问世，它能放大声音，并能使一组 医师同时听到被诊断者体内的声音，还能记录心脏杂音， 与正常的心音比较。虽然新型听诊器不断问世，但是医师 们普遍爱用的仍然是由林奈克设计，经卡门改良的旧型听 诊器。 三、粘性流体的伯努利方程 液体在粗细均匀的水平管中作层流时，沿液 流方向，液体的压强是逐渐降低的： 原因：内摩 擦力作功引 起能量损耗 。 结论：粘性流体流动需要一定的外压强来维持。 此时有： R 四、斯托克司定律（stokeslaw） r-球体的半径；v-球体相对流体的速度； -流体的粘度。 vv F 斯托克司定律： 相对流体运动的球体，其表面附着的一层流 体与周围流体间存在着摩擦力,即为球体受到的 粘性阻力: r F W v f 重力： 浮力： 阻力： 平衡时 即 终极速度： 或称为沉降速度 球体在粘性流体中下落时的终极速度： 离心机从悬浮液中分离微粒 的原理： （ 离心加速度 2） P1 P2 内摩擦力： 定常流动时： 压力差： 流速随半径的变化：在管轴（r=0）处最大，沿管径方 向呈抛物线分布。 Rr F f 第四节 泊肃叶定律 (Poiseuille law) 流体在圆管中层流 时的速度分布： p36 当r=R时, = 0 当r=0时，= max 流体在圆管中层流时的速度分布： r Q-体积流量；-流体的粘度；L-管的长度；R - 管的内半径；P=P1-P2 管两端的压强差； R L P1P2 Q 牛顿流体在水平均匀圆管中层流时的流量： 流阻(flow resistance) : 泊肃叶定律另一表式: 流阻的串联与并联： Rf1 Rf2 Rf3 并联： 串联： Rf1 Rf2 Rf3 对心血管系统： 指血液流向外周血管所遇到的阻力。 医学应用 血液循环 心脏、血管 机体的循环系统 血液通过心血管 系统