医用物理学 绪论课件

医用物理学绪论《医用物理学》

医用物理学绪论绪论Preface一.物理学的研究对象*物理学：是研究物质世界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。医用物理学绪论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。二.物理学与医学的关系医用物理学绪论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；Ahumanredbloodcell

Asingle-celledbacteria

ofthetype:E.coli

器官内壁医用物理学绪论*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（例如：准分子激光治疗近视）、溶栓术、美容等；*物理断层技术：B超、X-CT、ECT、核磁共振等；医用物理学绪论注意几个问题：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;医用物理学绪论教学内容：第一节理想流体连续性方程第二节伯努利方程第三节粘性流体的运动第四节泊肃叶定律第五节血流动力学与流变学基础Chapter1.TheMotionofFluid第一章流体的运动*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(fluiddynamics)：*人体中的流体运动现象：血液流动，呼吸气体运动等。研究流体运动.医用物理学绪论一、流体运动的研究方法：1.两种研究方法

(1).Lagrange（拉格朗日）方法：将流体视为无限小的质元组成，用牛顿定律研究各质元的运动状态随时间的变化规律。

(2).Euler（欧拉）方法：着眼于流体流经的空间点，研究各空间点处流体质元的速度分布及其随时间的变化规律。第一节理想流体连续性方程医用物理学绪论(2).没有内摩擦力(nointernalfriction)(1).绝对不可压缩(incompressibility)1000atmwater

VV

V/V=5%(或:完全没有粘性)2.理想流体(idealfluid)模型特征:（2）流线（streamline）：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。（1）流速场（fieldofflow）: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。圆柱机翼3.流速场、流线、流管医用物理学绪论（3）流管（tubeofflow）：流体中通过某小截面积周边各点的流线所组成的管状物。*定常流动（即稳定流动）中流线形状和流管形状不随时间变化；*流线不相交；医用物理学绪论二.定常流动：ABCvAvBvC定常流动（steadyflow）：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为：若流速分布不随时间变化，即为定常流动：（1）流线形状不变；（2）流线就是流体粒子运动的轨迹。医用物理学绪论医用物理学绪论设截面积S1处的流速和密度分别为

1和ρ1

S1S2

1

1

2截面积S2处的流速和密度分别为

2和ρ2

2在短时间Δt（Δt→0）内，

1

t

2

tm2=ρ2(

2Δt)S2=ρ2S2

2Δt通过截面S2的流体质量：m1=ρ1(

1Δt)S1=ρ1S1

1Δt设流动为定常流动：通过截面S1的流体质量：三.连续性方程医用物理学绪论连续性方程（equationofcontinuity）：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。ρ1S1

1=ρ2S2

2

或ρS

=常量

对于不可压缩流体，即ρ1=ρ2对定常流动：m1=m2则有即：S与

成反比；S1

1=S2

2

或S

=常量医用物理学绪论ρ1S1

1=ρ2S2

2或ρS

=常量

S1

1=S2

2或S

=常量连续性方程（equationofcontinuity）：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（ρS

）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。体积流量（S

）简称流量（Q）医用物理学绪论第二节伯努利方程XY*研究对象：作定常流动的XY段理想流体。*研究系统：流管+地球。在△t内，XY段流体移动到X’Y’段；X’Y’一.伯努利方程的推导：医用物理学绪论设y处：S2、

2、F2、h2；在短时间Δt（Δt→0）内，流体XY移至x´y´设x处：S1、

1、F1、h1；A=F1

1Δt-F2

2Δt=P1S1

1Δt-P2S2

2Δt=(P1-P2)V(S1

1Δt=S2

2Δt=V)xF1

1h1S1yS2

2F2h2x′y′

1

t

2

t外力作功A：P1P2根据功能原理推导方程：动能的增量：在短时间Δt（Δt→0）内，势能的增量：机械能增量:医用物理学绪论根据功能关系:以V除各项，整理得:或伯努利方程（Bernoulliequation）：伯努利方程只适用于理想流体的定常流动。医用物理学绪论单位体积流体的动能

—

动压强单位体积流体的重力势能静压强单位体积流体的压强能理想流体在流管中作定常流动时，任一截面处单位体积流体的动能、重力势能以及该处的压强三项之和保持不变。对同一流管：医用物理学绪论二.伯努利方程的应用1.水平管中压强和流速的关系:若流体在水平管中流动，h1=h2，则: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。AB喷雾器水流抽气机应用：负压引流（空吸作用）医用物理学绪论医用物理学绪论汾丘里流量计S1S2△h∵∴流体的流量：P2P1υ1医用物理学绪论2.均匀管中压强与高度的关系: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，人体位对其血压的影响:医用物理学绪论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，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:小孔流速医用物理学绪论速度梯度：表示A点速度沿z方向的变化率。

z一.牛顿粘性定律A相邻流层间的切向相互作用力，或称粘性力。内摩擦力F:第三节粘性流体的流动牛顿粘性定律:牛顿流体:水、酒精、血浆等。非牛顿流体：血液、沥青、溶胶、软膏等。

医用物理学绪论几种流体的粘度:表2-1

液体粘度η（Pa·s）水 0℃ 1.80×10-3水 37℃ 0.69×10-3水 100℃ 0.30×10-3水银 0℃ 1.69×10-3水银 20℃ 1.55×10-3水银 100℃ 1.00×10-3血液 37℃ 2.0--4.0×10-3血浆 37℃ 1.0--1.4×10-3血清 37℃ 0.9--1.2×10-3血液粘度吸烟、喝酒、油脂等。粘度η：表示流体粘性的强弱。医用物理学绪论１、层流（laminarflow）和湍流(turbulentflow)层流:流体的分层流动。无色甘油有色甘油二、层流与湍流雷诺数粘性流体层流的速度分布：轴线处流速最大；管壁处流速最小。湍流:流体的流动杂乱而不稳定。医用物理学绪论Re<1000时，流体作层流；Re>２000时，流体作湍流；1000<Re<２000时，流体流动不稳定雷诺数（Reynoldnumber)（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：医用物理学绪论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。血压计测血压的原理然后再慢慢放气，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。医用物理学绪论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压强差来维持。１２此时有：三、粘性流体的伯努利方程医用物理学绪论Rr-球体的半径；v-球体相对流体的速度；η-流体的粘度。vvF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:四、斯托克司定律（stokes´law）医用物理学绪论rFW

f

’

重力：浮力：阻力：平衡时即(或称沉降速度)球体在粘性流体中下落时的收尾速度：（分层沉淀）主要影响收尾速度的因数：医用物理学绪论粒子0离心分离-----从悬浮液中快速分离微粒的原理。用代替应用：离心机加快离心机的转速可以使χ

2大于g几十万倍。离心加速度经常用重力加速度的倍数来表示，以此表明离心机离心能力的大小，超速离心机的加速度可达5×105g。医用物理学绪论P1P2定常流动时：RrΔFf第四节泊肃叶定律(Poiseuillelaw)流体在圆管中层流时的速度分布：内摩擦力：压力差：对圆管中某一环行流层:vsr医用物理学绪论Q--体积流量；η--流体的粘度；L--管的长度；R-管的内半径；ΔP=P1-P2管两端的压强差；RLP1P2Q牛顿流体在水平均匀圆管中层流时的流量：流阻(flowresistance