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文档简介
1、广西医科大学物理学教研室主 讲:莫 华(共60学时,其中理论36学时,试验24学时)电话: 5358270址: 106馆三楼E-mail: 医 用 物 理 学 第1页第1页 绪 论 Preface一. 物理学研究对象* 物理学:是研究物质世界普遍性质和基本规律科学。* 物理学研究对象: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:学习医学所必需物理学基础知识。第2页第2页物理学是生命科学基础:*生理过程:肌肉收缩、神经电传导、视觉调整、血液循环、能量代谢、心电和脑电、细胞膜通道物质输运、蛋白质合成等。*生存环境:大气电离层、电磁污染、
2、放射线污染等。*物理学与生命科学交叉科学: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. 物理学与医学关系第3页第3页物理学为医学和医疗提供新办法和技术:*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;A human red blood cell A single-celled bacteria of the type: E. coli 器官内壁第4页第4页*X射线:X光照相、X光透视、X-CT、 X光子刀治疗肿瘤等;*激光:眼科手术(比如:准分子激光治疗 近视)、溶栓
3、术、美容等;*物理断层技术:B超、X-CT、ECT、核磁共振等;第5页第5页注意几种问题:1.学习中自学能力培养;2.注重试验;4.期评成绩:平时测验和试验占20%, 期考占80%; 5.下列情况者可在期评成绩中加1-5分: 能写出较好科普文章;3.作好习题, 老师随时抽查;第6页第6页教学内容:第一节 抱负流体 连续性方程第二节 伯努利方程第三节 粘性流体运动第四节 泊肃叶定律第五节 血流动力学与流变学基础Chapter 1. The Motion of Fluid第一章 流体运动* 流体静力学(hydrostatics):* 流体(fluid):气体和液体都含有流动性,统称为流体。研究静止
4、流体规律.*流体动力学(fluid dynamics) :*人体中流体运动现象:血液流动,呼吸气体运动等。研究流体运动.第7页第7页一、流体运动研究办法 : 1.两种研究办法 (1).Lagrange(拉格朗日)办法 : 将流体视为无限小质元构成,用牛顿定律研 究各质元运动状态随时间改变规律。 (2).Euler(欧拉)办法 : 着眼于流体流经空间点,研究各空间点处流 体质元速度分布及其随时间改变规律。第一节 抱负流体 连续性方程第8页第8页(2).没有内摩擦力 (no internal friction)(1).绝对不可压缩(incompressibility)1000atmwaterVVV
5、/V=5%(或:完全没有粘性)2.抱负流体(ideal fluid)模型特性:(2)流线(streamline):在任一瞬间,可在流体中划这样一些线,使这些线上各点切线方向和流体质元在该点速度方向相同,这些线叫做这一时刻流线。(1)流速场(field of flow):在流体所占据空间每一点上,流经该点质元均含有流速。这一空间称为流速场。圆 柱机 翼3.流速场、流线、流管第9页第9页(3)流管( tube of flow):流体中通过某小截面积周围各点流线所构成管状物。*定常流动(即稳定流动)中流线形状和流管形状不随时间改变;*流线不相交;第10页第10页二.定常流动:ABCvAvBvC定常流
6、动(steady flow):流体中流线上各点速度都不随时间而变。流场 普通情况下,在流体流动过程中任意时刻,流体所占据空间任意点流速为: 若流速分布不随时间改变,即为定常流动:(1)流线形状不变;(2)流线就是流体粒子运动轨迹。第11页第11页第12页第12页设截面积S1处流速和密度分别为1和1 S1S2112 截面积S2处流速和密度分别为2和22在短时间t(t0)内,1t2tm2=2(2t)S2=2S22t通过截面S2流体质量:m1=1(1t)S1=1S11t设流动为定常流动:通过截面S1流体质量:三. 连续性方程第13页第13页连续性方程(equation of continuity):
7、在定常流动中,同一流管任一截面处流体密度、流速和该截面面积乘积为一常量。1S11 =2S22 或 S=常量 对于不可压缩流体,即1 =2对定常流动:m1= m2则有即: S与成反比;S11 = S22 或 S=常量第14页第14页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流体质量(单位为 kg/s)相等。体积流量(S)简称流量(Q)第15页第15页第二节 伯努利方程XY*研究对象:作
8、定常流动XY段抱负流体。*研究系统:流管+地球。在t内,XY段流体移动到XY段;XY一.伯努利方程推导:第16页第16页设y处:S2、2、F2、h2;在短时间t(t0)内,流体XY移至xy设x处:S1、1、F1、h1;A= F11t- F22t= P1S1 1t- P2S22t=(P1 -P2 )V (S11t = S2 2t =V)xF11h1S1yS22F2h2xy1t2t外力作功A:P1P2依据功效原理推导方程:动能增量:在短时间t(t0)内,势能增量:机械能增量:第17页第17页依据功效关系:以V除各项,整理得:或伯努利方程(Bernoulli equation):伯努利方程只适合用于
9、抱负流体定常流动。第18页第18页单位体积流体动能 动压强单位体积流体重力势能静压强单位体积流体压强能 抱负流体在流管中作定常流动时,任一截面处单位体积流体动能、重力势能以及该处压强三项之和保持不变。对同一流管:第19页第19页二. 伯努利方程应用1.水平管中压强和流速关系:若流体在水平管中流动,h1=h2,则:即在水平管中流动流体, 流速小地方压强较大, 流速大地方压强较小。AB喷雾器水流抽气机应用:负压引流(空吸作用)第20页第20页第21页第21页汾丘里流量计S1S2h流体流量:P2P11第22页第22页2.均匀管中压强与高度关系:即高处压强较小,低处压强较大。当v1=v2 时或流动缓慢
10、(v =0)时,人体位对其血压影响:第23页第23页3.两端等压管中流速与高度关系当流管两端处于相同压强时,抱负流体在两端等压管中作定常流动时,高端处流速小,而低端处流速大。实例: 小孔流速第24页第24页速度梯度:表示A点速度沿z方向改变率。z一.牛顿粘性定律A相邻流层间切向互相作用力,或称粘性力。内摩擦力F:第三节 粘性流体流动牛顿粘性定律:牛顿流体: 水、酒精、血浆等。非牛顿流体:血液、沥青、溶胶、软膏等。 第25页第25页几种流体粘度: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
11、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。粘度:表示流体粘性强弱。第26页第26页、层流(laminar flow)和湍流(turbulent flow)层流: 流体分层流动。无色甘油有色甘油二、层流与湍流雷诺数粘性流体层流速度分布:轴线处流速最大;管壁处流速最小。湍流:流体流动杂乱而不稳定。第27页第27页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:较粗较直动脉血管中血流;湍流:血管弯曲
12、和分叉处血流; 血液通过心脏瓣膜时发出声音; 听诊器听诊,血压计测血压。人体中血液流动:第28页第28页腕环血压计有一条能够围绕在手臂、且能充气长形橡皮袋,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它测压器装置上。测压时,将橡皮袋围绕缚于上臂,然后渐渐将空气打入橡皮袋,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,不能阻碍血液通畅,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依据。第29
13、页第29页 液体在粗细均匀水平管中作层流时,沿液流方向,液体压强是逐步减少: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压强差来维持。此时有:三、粘性流体伯努利方程第30页第30页Rr-球体半径;v-球体相对流体速度;-流体粘度。vvF斯托克司定律:相对流体运动球体,其表面附着一层流体与周围流体间存在着摩擦力,即为球体受到粘性阻力:四、斯托克司定律(stokeslaw)第31页第31页rFWf 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收尾速度:(分层沉淀)主要影响收尾速度因数:第32页第32页粒子0离心分离-从悬浮液中快速分离微粒原理。用代替应用:离心机
14、加快离心机转速能够使2不小于g几十万倍。离心加速度经惯用重力加速度倍数来表示,以此表明离心机离心能力大小,超速离心机加速度可达5105g。第33页第33页P1P2定常流动时:RrFf第四节 泊肃叶定律 (Poiseuille law)流体在圆管中层流时速度分布:内摩擦力:压力差:对圆管中某一环行流层:v s r第34页第34页Q-体积流量;-流体粘度;L-管长度;R-管内半径;P=P1-P2 管两端压强差; RLP1P2Q牛顿流体在水平均匀圆管中层流时流量:流阻(flow resistance) :泊肃叶定律另一表式:(流阻串联与并联)第35页第35页第五节血流动力学与流变学基础:血液循环:体循环/大循环肺循环/小循环
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