医用物理学之定常流动

1、医用物理学绪论医用物理学绪论(了解)第第2章章 流体的运动流体的运动2.1 理想流体的定常流动理想流体的定常流动(1) 理想流体理想流体(掌握)(2) 定常流动定常流动(掌握)(3) 流线、流管流线、流管(理解)(4) 连续性方程连续性方程(掌握)一、医学物理课程一、医学物理课程&学科介绍学科介绍 课程地位：课程地位：医学物理学是物理学的重要分医学物理学是物理学的重要分支学科，是物理学与医学相结合所形成的交支学科，是物理学与医学相结合所形成的交叉学科，是高等医学教育中的一门叉学科，是高等医学教育中的一门必修基础必修基础课课。主要介绍物理学的基本概念、基本理论，。主要介绍物理学的基本概念

2、、基本理论，为医学生为医学生学习现代医学准备必要的物理基础学习现代医学准备必要的物理基础。医学物理学教学大纲 讲授内容：讲授内容：在基本保持物理学本身系统性在基本保持物理学本身系统性的前提下，结合医学专业的需要，对物理学的前提下，结合医学专业的需要，对物理学与医学联系密切的内容作进一步的讨论，当与医学联系密切的内容作进一步的讨论，当然主要是针对这些问题中的物理学原理，不然主要是针对这些问题中的物理学原理，不过多涉及具体的医学内容。过多涉及具体的医学内容。 国际上医学物理学已形成四大专业领域：国际上医学物理学已形成四大专业领域：放放射肿瘤射肿瘤、医学影像物理学医学影像物理学、核医学物理学核医学物

3、理学、医用医用辐射安全与防护辐射安全与防护。不仅在欧美发达国家，甚至马。不仅在欧美发达国家，甚至马来西亚、尼泊尔等小国，医学物理学已经被社会来西亚、尼泊尔等小国，医学物理学已经被社会和政府广泛重视。和政府广泛重视。 新加坡、香港和台湾已建立医学物理师制度。新加坡、香港和台湾已建立医学物理师制度。 我国与发达国家相比差距相当大：我国与发达国家相比差距相当大：1)1)医学物理学科人才培养不受重视。医学物理学科人才培养不受重视。 2)2)医学物理师没有职称序列，只能并入技师、医学物理师没有职称序列，只能并入技师、工程师、教师或研究员系列。工程师、教师或研究员系列。 主要就业领域：临床工作的医学物理师

4、、医疗仪器和设备产业的工作人员 10 医学医学1001 基础医学（可授医学、理学学位）1002 临床医学1003 口腔医学1004 公共卫生与预防医学（可授医学、理学学位）1005 中医学1006 中西医结合1007 药学（可授医学、理学学位）1008 中药学（可授医学、理学学位）1009 特种医学特种医学1010 医学技术（可授医学、理学学位）医学技术（可授医学、理学学位）1011 护理学（可授医学、理学学位）护理学（可授医学、理学学位）学位授予和人才培养学科目录（学位授予和人才培养学科目录（2011年）年） 医学技术囊括六大专业领域：1.医学检验专业，2.医学影像专业，3.医学物理专业，医

5、学物理专业，4.康复治疗专业，5.医学诊断专业，6.医学治疗专业二、物理学与医学的关系二、物理学与医学的关系 目前医学研究已从宏观形态进入到微观机制，目前医学研究已从宏观形态进入到微观机制，从细胞水平上升到分子水平，从定性分析进入到从细胞水平上升到分子水平，从定性分析进入到定量研究。定量研究。医学的发展离不开物理的理论、方法和技术。医学的发展离不开物理的理论、方法和技术。1. 许多物理学的新发现、新发明直接推动医许多物理学的新发现、新发明直接推动医学的发展学的发展 为细胞的发现提供条件，为细胞的发现提供条件，使生物医学发展到细胞水平。使生物医学发展到细胞水平。 X射线的发现开创医学影像诊断的先

6、河。射线的发现开创医学影像诊断的先河。To 1595年，荷兰眼镜制造匠人詹森制作了第一台显微镜。 这个显微镜制作水平很低，无论放大倍数和分辨能力都相当低。詹森虽然是发明显微镜的第一人，却并没有发现显微镜的真正价值。 用显微镜观察软木塞用显微镜观察软木塞薄片，薄片，看到很多蜂巢一样看到很多蜂巢一样的小室，的小室，使用使用 “细胞细胞”来来说明，说明，“细胞细胞”（“cell”）一词从此被生物界采用。一词从此被生物界采用。罗伯特罗伯特.胡克胡克 Robert Hoo-ke 英国物理学家（英国物理学家（1635-1703）1 1、一生磨制了、一生磨制了400400多架显微镜，多架显微镜，最大放大倍数

7、最大放大倍数270270。列文虎克列文虎克 Leeuwenhoek(1632-1723)3 3、入选英国皇家学会会员、入选英国皇家学会会员看到的是真正的细胞看到的是真正的细胞 显微镜学家显微镜学家微生物学的开拓者微生物学的开拓者 2 2、实实在在看到并记录了一实实在在看到并记录了一类从前没有人看到过的微小类从前没有人看到过的微小生命；证实了毛细血管的存生命；证实了毛细血管的存在。在。Back2. 许多物理学家直接对医学发展做出重大贡献许多物理学家直接对医学发展做出重大贡献 波动光学奠基人之一波动光学奠基人之一托马斯托马斯 杨杨本人就是医生本人就是医生 物理学家物理学家乔治乔治 冯冯 贝克西贝克

8、西发现发现内耳的电生理内耳的电生理功能功能 物理学家物理学家沃森沃森、克里克克里克建立建立DNA分子双螺旋分子双螺旋结构模型结构模型 物理学家物理学家伽莫夫伽莫夫提出提出蛋白质遗传密码蛋白质遗传密码的设想的设想3. 诺贝尔生理学诺贝尔生理学/医学奖中有医学奖中有1/5是将物理学是将物理学应用到医学而取得的重要成果应用到医学而取得的重要成果与医学物理学科有关的诺贝尔奖获奖情况与医学物理学科有关的诺贝尔奖获奖情况(1)超声超声1） 超声诊断：超声诊断：B超、超、超声多普勒血流计、超声多普勒血流计、超声胎心仪等超声胎心仪等2） 超声治疗：体外超超声治疗：体外超声碎石、碎血栓；利声碎石、碎血栓；利用超

9、声波的热效应，用超声波的热效应，加快骨伤愈合速度、加快骨伤愈合速度、治疗关节炎等治疗关节炎等 4. 物理学为医学提供诊断治疗方法物理学为医学提供诊断治疗方法胎儿胎儿13周周胎儿胎儿32周周双胞胎双胞胎 14周周(2)放射性放射性1） 诊断：同位素示踪技术诊断：同位素示踪技术 2） 治疗：抑制和破坏肿瘤细胞治疗：抑制和破坏肿瘤细胞(3)粒子手术刀粒子手术刀射线刀、电子束刀、射线刀、电子束刀、X射线刀射线刀(4)四大现代医学影像技术四大现代医学影像技术 X射线成像、射线成像、 超声成像技术、超声成像技术、 核医学成像：核医学成像：正电子发射计算机断层成像(PET) MRI Magnetic Res

10、onance Imaging磁共振成像磁共振成像(5)激光激光1） 激光诊断：激光诊断：OCT(光学光学相干层析成像技术相干层析成像技术)2） 激光治疗：激光治疗：眼科手术（如准分子激光治疗近视）眼科手术（如准分子激光治疗近视）3） 其他：激光验血划痕器、光镊与人工受精其他：激光验血划痕器、光镊与人工受精 一种新的断层成像技术。一种新的断层成像技术。具有高灵敏度、高分辨率具有高灵敏度、高分辨率, ,无无损伤、可在体检测等优越性，损伤、可在体检测等优越性，应用于眼科疾病、牙科疾病应用于眼科疾病、牙科疾病等的诊断。等的诊断。微光机电系统微光机电系统(MOEMS)的医学应用的医学应用 带有摄像机的胶

11、囊带有摄像机的胶囊型内窥镜直径型内窥镜直径0.9cm，长长2.3cm，被病人吞，被病人吞下后，可在食道、下后，可在食道、胃、十二指肠、小胃、十二指肠、小肠、大肠等处拍摄肠、大肠等处拍摄图像。图像。胶囊型内窥镜的问世，与一般的内窥镜比较，完全胶囊型内窥镜的问世，与一般的内窥镜比较，完全避免病人在检查过程中所产生的苦痛。避免病人在检查过程中所产生的苦痛。微型内窥镜的内部结构：微型内窥镜的内部结构：1、光学圆盖、光学圆盖 2、透镜固定环、透镜固定环3、透镜、透镜 4、照明发光二极管、照明发光二极管 5、互补金属氧化物、互补金属氧化物半导体成像器半导体成像器 6、电池、电池 7、专用集成电路、专用集成

12、电路 8、天线、天线 课后复习，完成作业和课后复习，完成作业和学习指导学习指导的题目的题目。( (理论课作业将不定期抽查理论课作业将不定期抽查) ) 记笔记：记思路、记教学要求记笔记：记思路、记教学要求( (了解了解/ /理解理解/ /掌握掌握) ) 阶段总结复习。阶段总结复习。 重视预习，培养自学能力、独立思考能力。重视预习，培养自学能力、独立思考能力。三、医用物理学学习方法三、医用物理学学习方法成绩评定成绩评定:期末考试占期末考试占70%，平时成绩，平时成绩30% 平时成绩主要来自实验报告，外加平时成绩主要来自实验报告，外加少量的加减分。少量的加减分。办公室及实验室地点：办公室及实验室地点

13、：2号楼号楼2楼楼教研室网站：学生网教研室网站：学生网教学在线教学在线教研室网教研室网站站物理教研室物理教研室物理教研室隶属信息工程学院，专职教学人物理教研室隶属信息工程学院，专职教学人员员10人，物理人，物理&电子学实验室电子学实验室4人，主要人，主要承担课承担课程：程：医用物理学医用物理学、医用电子学医用电子学、大大学物理学物理、影像物理学影像物理学 临床临床1班班-6班：班：实验绪论课时间地点实验绪论课时间地点第一周周第一周周三三晚上晚上7:30-9:50(3学时学时) 麻醉麻醉19班班-22班：班：第一周周第一周周四四晚上晚上7:30-9:50(3学时学时) 影像影像23班班-

14、26班：班：第一周周第一周周五五晚上晚上7:30-9:50(3学时学时)地点：第地点：第2课室课室（第（第1周无实验操作课）周无实验操作课）教学进度表说明教学进度表说明第第2章章 流体的运动流体的运动 物质存在的三种状态固、液、气 液体和气体各部分之间很容易发生相对运动流动性流动性 具有流动性的物体流体流体如：水、酒精、血液、空气 研究流体运动规律及流体与其中物体之间相互作用规律的科学流体力学流体力学2.1 理想流体的定常流动理想流体的定常流动 一、关于理想流体的几个概念一、关于理想流体的几个概念 1. 理想流体理想流体 实际液体和气体除具有共同的流动性外实际液体和气体除具有共同的流动性外,

15、还在不同程度上具有两种性质：还在不同程度上具有两种性质：可压缩性可压缩性和和黏性黏性。可压缩性可压缩性：体积：体积( (密度密度) )随压随压强变化的性质强变化的性质液体的可压缩性很小，液体的可压缩性很小，气体可压缩性较大气体可压缩性较大1000atmwater VV V/V=5%黏性黏性：流动的流体中各部分之间存在内：流动的流体中各部分之间存在内摩擦的性质摩擦的性质甘油、血液黏性较大，气体、水、甘油、血液黏性较大，气体、水、酒精黏性很小酒精黏性很小 在一定条件下可忽略流体的可压缩性和黏在一定条件下可忽略流体的可压缩性和黏性，只考虑流动性性，只考虑流动性绝对不可压缩绝对不可压缩它是一种理想化模

16、型，实际不存在。它是一种理想化模型，实际不存在。理想流体理想流体 完全没有黏性完全没有黏性2. 定常流动定常流动 流体的运动相当复杂，同一时刻，不同点流体的运动相当复杂，同一时刻，不同点流速可能不同；不同时刻，某一定点的流速也流速可能不同；不同时刻，某一定点的流速也可能不同。可能不同。v = f (x, y, z, t)流场：流场：任一时刻任一时刻t t，在流体所占据的空间的每在流体所占据的空间的每一点上一点上, ,流经该点的质点均具有流速。这一空流经该点的质点均具有流速。这一空间称为流体速度场，简称流场。间称为流体速度场，简称流场。 流体质点流经空间任一给定点时速度不流体质点流经空间任一给定

17、点时速度不随时间变化随时间变化，这种流动，这种流动称为称为定常流动定常流动。例如例如, 沿着管道或渠道缓慢流动的水流沿着管道或渠道缓慢流动的水流, 在一在一段不长的时间内可以认为是定常流动。段不长的时间内可以认为是定常流动。v = f (x, y, z) 3. 流线、流管流线、流管 (1) 流线流线 任一时刻，在流场中作出一系列曲线，任一时刻，在流场中作出一系列曲线，使得曲线上的每一点的切线方向与该时刻流使得曲线上的每一点的切线方向与该时刻流经该点的流体质点速度方向相同，这些曲线经该点的流体质点速度方向相同，这些曲线称为称为流线流线。流线的特点：流线的特点：a. 任意两条流线不能相交。任意两条

18、流线不能相交。b. 流线形状可以随时间变化。流线形状可以随时间变化。c. 流线的疏密程度反映流速的大小。流线的疏密程度反映流速的大小。什么情况下不随时间变化？什么情况下不随时间变化？ 流体中每个质点都有自己的运动轨迹，质流体中每个质点都有自己的运动轨迹，质点的运动轨迹称为点的运动轨迹称为迹线迹线。 流线与迹线一般不重合。流线与迹线一般不重合。定常流动时，流定常流动时，流线形状保持不变，流线与迹线重合。线形状保持不变，流线与迹线重合。(2) 流管流管 在流体中作封闭曲线，通在流体中作封闭曲线，通过封闭曲线上各点的流线围过封闭曲线上各点的流线围成的细管叫做成的细管叫做流管流管。 a. 管内的流体不

19、能穿越管壁到管外，管外管内的流体不能穿越管壁到管外，管外的流体也不能穿过管壁流进管内。的流体也不能穿过管壁流进管内。 b. 定常流动时，流管形状和位置保持不变，定常流动时，流管形状和位置保持不变，像固定的像固定的“管道管道”，流体在其中流动。流管无，流体在其中流动。流管无限变细即成流线，意味着流体质点是沿流线运限变细即成流线，意味着流体质点是沿流线运动的，即动的，即定常流动时流线与迹线重合。定常流动时流线与迹线重合。流管的特点：流管的特点：12二、连续性方程二、连续性方程2211vvSSconstantvS或 在定常流动的流体中任取一细流管，在流管中任取两个横截面S1、S2，设 S1、S2上的

20、平均流速分别为v1和v2。12t 内通过 S1 流入的流体质量：tSm1111v同一时间内通过 S2 流出的流体质量为tSm2222v流入等于流出：tStS222111vv222111vvSS或常数vS222111vvSS或常数vS 可压缩流体稳定流动时的连续性方程连续性方程定常流动时，同一流管中任一横截面处的流体密度 、平均流速 v 和该截面面积 S 的乘积为一常量。：单位时间内通过任一截面 S 的流体质量vS单位：skg / 该横截面的质量流量质量流量若流体不可压缩，2211vvSSconstantvS或不可压缩的流体作稳定流动时的连续性方程连续性方程S大v小 流线稀疏流线稀疏；S小 v大流线密集流线密集不可压缩不可压缩的流体作的流体作定常流动定常流动时，流管的横时，流管的横截面积与该处平均流速的乘积为一常量。截面积与该处平均流速的乘积为一常量。有 1=2则单位时间内通过任一截面 S 的流体体积