醫(yī)用物理學(xué)緒論《醫(yī)用物理學(xué)》

醫(yī)用物理學(xué)緒論緒論P(yáng)reface一.物理學(xué)的研究對(duì)象*物理學(xué)：是研究物質(zhì)世界的普遍性質(zhì)和基本規(guī)律的科學(xué)。*物理學(xué)的研究對(duì)象：機(jī)械運(yùn)動(dòng)、分子熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、光學(xué)、原子與原子核及其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)等。*醫(yī)學(xué)物理學(xué)：學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)所必需的物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。醫(yī)用物理學(xué)緒論物理學(xué)是生命科學(xué)的基礎(chǔ)：*生理過程：肌肉收縮、神經(jīng)電傳導(dǎo)、視覺調(diào)節(jié)、血液循環(huán)、能量代謝、心電和腦電、細(xì)胞膜通道的物質(zhì)輸運(yùn)、蛋白質(zhì)的合成等。*生存環(huán)境：大氣電離層、電磁污染、放射線污染等。*物理學(xué)與生命科學(xué)的交叉科學(xué)：生物物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)、血液流動(dòng)力學(xué)、超聲醫(yī)學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、激光醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)等。二.物理學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系醫(yī)用物理學(xué)緒論物理學(xué)為醫(yī)學(xué)和醫(yī)療提供新的方法和技術(shù)：*顯微鏡：

光學(xué)顯微鏡------微生物組織、細(xì)胞形態(tài)等；電子顯微鏡------細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)、生物大分子等；*光學(xué)纖維內(nèi)鏡：

器官內(nèi)壁組織形態(tài)等；Ahumanredbloodcell

Asingle-celledbacteria

ofthetype:E.coli

器官內(nèi)壁醫(yī)用物理學(xué)緒論*X射線：X光攝影、X光透視、X-CT、X光子刀治療腫瘤等；*激光：眼科手術(shù)（例如：準(zhǔn)分子激光治療近視）、溶栓術(shù)、美容等；*物理斷層技術(shù)：B超、X-CT、ECT、核磁共振等；醫(yī)用物理學(xué)緒論注意幾個(gè)問題：1.學(xué)習(xí)中自學(xué)能力的培養(yǎng)；2.重視實(shí)驗(yàn);4.期評(píng)成績(jī)：平時(shí)測(cè)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)占20%,期考占80%；5.下列情況者可在期評(píng)成績(jī)中加1--5分：能寫出較好的科普文章；3.作好習(xí)題,老師隨時(shí)抽查;醫(yī)用物理學(xué)緒論教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)理想流體連續(xù)性方程第二節(jié)伯努利方程第三節(jié)粘性流體的運(yùn)動(dòng)第四節(jié)泊肅葉定律第五節(jié)血流動(dòng)力學(xué)與流變學(xué)基礎(chǔ)Chapter1.TheMotionofFluid第一章流體的運(yùn)動(dòng)*流體靜力學(xué)(hydrostatics)：*流體（fluid）：氣體和液體都具有流動(dòng)性，統(tǒng)稱為流體。研究靜止流體規(guī)律.*流體動(dòng)力學(xué)(fluiddynamics)：*人體中的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象：血液流動(dòng)，呼吸氣體運(yùn)動(dòng)等。研究流體運(yùn)動(dòng).醫(yī)用物理學(xué)緒論一、流體運(yùn)動(dòng)的研究方法：1.兩種研究方法

(1).Lagrange（拉格朗日）方法：將流體視為無(wú)限小的質(zhì)元組成，用牛頓定律研究各質(zhì)元的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

(2).Euler（歐拉）方法：著眼于流體流經(jīng)的空間點(diǎn)，研究各空間點(diǎn)處流體質(zhì)元的速度分布及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。第一節(jié)理想流體連續(xù)性方程醫(yī)用物理學(xué)緒論(2).沒有內(nèi)摩擦力(nointernalfriction)(1).絕對(duì)不可壓縮(incompressibility)1000atmwater

VV

V/V=5%(或:完全沒有粘性)2.理想流體(idealfluid)模型特征:（2）流線（streamline）：在任一瞬間，可在流體中劃這樣一些線，使這些線上各點(diǎn)的切線方向和流體質(zhì)元在該點(diǎn)的速度方向相同，這些線叫做這一時(shí)刻的流線。（1）流速場(chǎng)（fieldofflow）:在流體所占據(jù)的空間每一點(diǎn)上,流經(jīng)該點(diǎn)的質(zhì)元均具有流速。這一空間稱為流速場(chǎng)。圓柱機(jī)翼3.流速場(chǎng)、流線、流管醫(yī)用物理學(xué)緒論（3）流管（tubeofflow）：流體中通過某小截面積周邊各點(diǎn)的流線所組成的管狀物。*定常流動(dòng)（即穩(wěn)定流動(dòng)）中流線形狀和流管形狀不隨時(shí)間變化；*流線不相交；醫(yī)用物理學(xué)緒論二.定常流動(dòng)：ABCvAvBvC定常流動(dòng)（steadyflow）：流體中流線上各點(diǎn)的速度都不隨時(shí)間而變。流場(chǎng)一般情況下，在流體流動(dòng)過程中的任意時(shí)刻，流體所占據(jù)的空間任意點(diǎn)的流速為：若流速分布不隨時(shí)間變化，即為定常流動(dòng)：（1）流線形狀不變；（2）流線就是流體粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡。醫(yī)用物理學(xué)緒論醫(yī)用物理學(xué)緒論設(shè)截面積S1處的流速和密度分別為

1和ρ1

S1S2

1

1

2截面積S2處的流速和密度分別為

2和ρ2

2在短時(shí)間Δt（Δt→0）內(nèi)，

1

t

2

tm2=ρ2(

2Δt)S2=ρ2S2

2Δt通過截面S2的流體質(zhì)量：m1=ρ1(

1Δt)S1=ρ1S1

1Δt設(shè)流動(dòng)為定常流動(dòng)：通過截面S1的流體質(zhì)量：三.連續(xù)性方程醫(yī)用物理學(xué)緒論連續(xù)性方程（equationofcontinuity）：在定常流動(dòng)中，同一流管的任一截面處的流體密度、流速和該截面面積的乘積為一常量。ρ1S1

1=ρ2S2

2

或ρS

=常量

對(duì)于不可壓縮流體，即ρ1=ρ2對(duì)定常流動(dòng)：m1=m2則有即：S與

成反比；S1

1=S2

2

或S

=常量醫(yī)用物理學(xué)緒論ρ1S1

1=ρ2S2

2或ρS

=常量

S1

1=S2

2或S

=常量連續(xù)性方程（equationofcontinuity）：體積流量（S

）守恒：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過任一橫截面的流體體積（單位為m3/s）相等。質(zhì)量流量（ρS

）守恒：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過任一橫截面的流體質(zhì)量（單位為kg/s）相等。體積流量（S

）簡(jiǎn)稱流量（Q）醫(yī)用物理學(xué)緒論第二節(jié)伯努利方程XY*研究對(duì)象：作定常流動(dòng)的XY段理想流體。*研究系統(tǒng)：流管+地球。在△t內(nèi)，XY段流體移動(dòng)到X’Y’段；X’Y’一.伯努利方程的推導(dǎo)：醫(yī)用物理學(xué)緒論設(shè)y處：S2、

2、F2、h2；在短時(shí)間Δt（Δt→0）內(nèi)，流體XY移至x′y′設(shè)x處：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根據(jù)功能原理推導(dǎo)方程：動(dòng)能的增量：在短時(shí)間Δt（Δt→0）內(nèi)，勢(shì)能的增量：機(jī)械能增量:醫(yī)用物理學(xué)緒論根據(jù)功能關(guān)系:以V除各項(xiàng)，整理得:或伯努利方程（Bernoulliequation）：伯努利方程只適用于理想流體的定常流動(dòng)。醫(yī)用物理學(xué)緒論單位體積流體的動(dòng)能

—

動(dòng)壓強(qiáng)單位體積流體的重力勢(shì)能靜壓強(qiáng)單位體積流體的壓強(qiáng)能理想流體在流管中作定常流動(dòng)時(shí)，任一截面處單位體積流體的動(dòng)能、重力勢(shì)能以及該處的壓強(qiáng)三項(xiàng)之和保持不變。對(duì)同一流管：醫(yī)用物理學(xué)緒論二.伯努利方程的應(yīng)用1.水平管中壓強(qiáng)和流速的關(guān)系:若流體在水平管中流動(dòng)，h1=h2，則:即在水平管中流動(dòng)的流體，流速小的地方壓強(qiáng)較大，流速大的地方壓強(qiáng)較小。AB噴霧器水流抽氣機(jī)應(yīng)用：負(fù)壓引流（空吸作用）醫(yī)用物理學(xué)緒論醫(yī)用物理學(xué)緒論汾丘里流量計(jì)S1S2△h∵∴流體的流量：P2P1υ1醫(yī)用物理學(xué)緒論2.均勻管中壓強(qiáng)與高度的關(guān)系:即高處的壓強(qiáng)較小，低處的壓強(qiáng)較大。當(dāng)v1=v2時(shí)或流動(dòng)緩慢(v=0)時(shí)，人體位對(duì)其血壓的影響:醫(yī)用物理學(xué)緒論3.兩端等壓的管中流速與高度的關(guān)系當(dāng)流管兩端處于相同壓強(qiáng)時(shí)，理想流體在兩端等壓的管中作定常流動(dòng)時(shí)，高端處的流速小，而低端處的流速大。實(shí)例:小孔流速醫(yī)用物理學(xué)緒論速度梯度：表示A點(diǎn)速度沿z方向的變化率。

z一.牛頓粘性定律A相鄰流層間的切向相互作用力，或稱粘性力。內(nèi)摩擦力F:第三節(jié)粘性流體的流動(dòng)牛頓粘性定律:牛頓流體:水、酒精、血漿等。非牛頓流體：血液、瀝青、溶膠、軟膏等。

醫(yī)用物理學(xué)緒論幾種流體的粘度:表2-1

液體粘度η（Pa·s）水 0℃ 1.80×10-3水 37℃ 0.69×10-3水 100℃ 0.30×10-3水銀 0℃ 1.69×10-3水銀 20℃ 1.55×10-3水銀 100℃ 1.00×10-3血液 37℃ 2.0--4.0×10-3血漿 37℃ 1.0--1.4×10-3血清 37℃ 0.9--1.2×10-3血液粘度吸煙、喝酒、油脂等。粘度η：表示流體粘性的強(qiáng)弱。醫(yī)用物理學(xué)緒論１、層流（laminarflow）和湍流(turbulentflow)層流:流體的分層流動(dòng)。無(wú)色甘油有色甘油二、層流與湍流雷諾數(shù)粘性流體層流的速度分布：軸線處流速最大；管壁處流速最小。湍流:流體的流動(dòng)雜亂而不穩(wěn)定。醫(yī)用物理學(xué)緒論Re<1000時(shí)，流體作層流；Re>２000時(shí)，流體作湍流；1000<Re<２000時(shí)，流體流動(dòng)不穩(wěn)定雷諾數(shù)（Reynoldnumber)（無(wú)單位）由雷諾數(shù)判斷流動(dòng)類型：層流：較粗較直的動(dòng)脈血管中的血流；湍流：血管彎曲和分叉處的血流；血液通過心臟瓣膜時(shí)發(fā)出聲音；聽診器聽診,血壓計(jì)測(cè)血壓。人體中的血液流動(dòng)：醫(yī)用物理學(xué)緒論腕環(huán)血壓計(jì)有一條可以環(huán)繞在手臂、且能充氣的長(zhǎng)形橡皮袋，橡皮袋一端接到打氣橡皮球上，另一端接到水銀測(cè)壓器或其他測(cè)壓器裝置上。測(cè)壓時(shí)，將橡皮袋環(huán)繞縛于上臂，然后徐徐將空氣打入橡皮袋，壓力升高到一定程度時(shí)，肱動(dòng)脈被壓扁，造成血液停止。血壓計(jì)測(cè)血壓的原理然后再慢慢放氣，當(dāng)橡皮袋壓力低于心臟收縮排出血液時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)脈壓時(shí)，血液便開始恢復(fù)，用聽診器可聽到脈搏跳動(dòng)，此時(shí)水銀柱顯示出來(lái)的壓力即為收縮壓。當(dāng)壓力繼續(xù)減少到心臟舒張時(shí)，不能阻礙血液暢通，此壓即為舒張壓。收縮壓和舒張壓是醫(yī)生用來(lái)判斷循環(huán)系統(tǒng)疾病的依據(jù)。醫(yī)用物理學(xué)緒論液體在粗細(xì)均勻的水平管中作層流時(shí)，沿液流方向，液體的壓強(qiáng)是逐漸降低的：原因：內(nèi)摩擦力作功引起能量損耗。結(jié)論：粘性流體流動(dòng)需要一定的壓強(qiáng)差來(lái)維持。１２此時(shí)有：三、粘性流體的伯努利方程醫(yī)用物理學(xué)緒論Rr-球體的半徑；v-球體相對(duì)流體的速度；η-流體的粘度。vvF斯托克司定律：相對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的球體，其表面附著的一層流體與周圍流體間存在著摩擦力,即為球體受到的粘性阻力:四、斯托克司定律（stokes′law）醫(yī)用物理學(xué)緒論rFW

f

’

重力：浮力：阻力：平衡時(shí)即(或稱沉降速度)球體在粘性流體中下落時(shí)的收尾速度：（分層沉淀）主要影響收尾速度的因數(shù)：醫(yī)用物理學(xué)緒論粒子0離心分離-----從懸浮液中快速分離微粒的原理。用代替應(yīng)用：離心機(jī)加快離心機(jī)的轉(zhuǎn)速可以使χ

2大于g幾十萬(wàn)倍。離心加速度經(jīng)常用重力加速度的倍數(shù)來(lái)表示，以此表明離心機(jī)離心能力的大小，超速離心機(jī)的加速度可達(dá)5×105g。醫(yī)用物理學(xué)緒論P(yáng)1P2定常流動(dòng)時(shí)：RrΔFf第四節(jié)泊肅葉定律(Poiseuillelaw)流體在圓管中層流時(shí)的速度分布：內(nèi)摩擦力：壓力差：對(duì)圓管中某一環(huán)行流層:vsr醫(yī)用物理學(xué)緒論Q--體積流量；η--流體的粘度；L--管的長(zhǎng)度；R-管的內(nèi)半徑；ΔP=P1-P2管兩端的壓強(qiáng)差；RLP1P2Q牛頓流體在水平均勻圓管中層流時(shí)的流量：流阻(flowresistance