По курсу медицинской и биологической физики

С.А.Лубинский

КУРС ЛЕКЦИЙ

По курсу медицинской и биологической физики

для студентов заочного отделения фармацевтического факультета

Учебное пособие

Рекомендовано

Центральным координационным методическим советом

Новосибирского Государственного медицинского университета

 

 

НОВОСИБИРСК

2009 г.

 

УДК

ББК

Рекомендовано

Центральным координационным методическим советом

Новосибирского Государственного медицинского университета

 

Рецензенты:

Зав. кафедрой анатомии НГМУ, председатель ЦМК, д.м.н.,

проф. А.Н.Машак

Зав.кафедрой психологии и педагогики НГМУ, канд.пед.н.,

доц. Г.В.Безродная

Колонда Г.Г., Лубинский С.А.

Курс лекций по медицинской и биологической физике для студентов заочного и вечернего отделений факультетов высшего сестринского образования и фармацевтического: Учебное пособие. – Новосибирск: Сибмедиздат, 2009.

 

Материал лекций изложен в соответствии с «Программой медицинской и биологической физики Министерства здравоохранения Российской Федерации от 2008 года». Лекции охватывают весь курс, предусмотренный Программой для заочного и вечернего отделений факультетов фармацевтического и Высшего сестринского образования. Основной упор сделан на связь изучаемого материала с практической деятельностью студентов, а также на понимание основных физических законов и на выработку умения мыслить логически и противостоять ложным научным направлениям. Материал изложен в форме, доступной для студентов, которые давно окончили среднюю школу и которым физика в школе давалась трудно. Число формул сведено к минимуму, однако расширено количество жизненных и практических примеров, облегчающих понимание основных разделов программы.

 

УДК

ББК

 

 

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО МЕДИЦИНСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОГО И ВЕЧЕРНЕГО ОТДЕЛЕНИЙ ФАКУЛЬТЕТОВ ВЫСШЕГО СЕСТРИНСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ И ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО.

Учебное пособие

Ответственный за выпуск:

Компьютерная вёрстка:

Дизайн обложки:

Санитарно-эпидемиологическое заключение:

Подписано в печать: Формат: Бумага офсетная.

Гарнитура Times. Ризография. Усл.печ.л. Тираж экз. Заказ

Оригинал-макет изготовлен издательством «Сибмедиздат»

630091 г. Новосибирск, Красный Проспект 52

Тел. (383) 2-29-10-83 E-mail: [email protected]

Отпечатано в типографии издательства «Сибмедиздат»

 

 

Введение

Курс лекций по медицинской и биологической физике для студентов первого курса заочного и вечернего отделения Новосибирского государственного медицинского университета ставит перед собой следующие задачи:

а) Дать студентам основы такой главной науке о природе, как физика, поскольку для того, чтобы быть хорошим специалистом в какой-либо одной области, нужно иметь хотя бы минимум знаний в соседних науках. А физика является соседней с медициной наукой, поскольку в основе всех жизненных процессов лежат физические законы. Например, повышение температуры тела человека, движение крови по сосудам, работа мышц, работа опорно-двигательного аппарата и т.д.

б) Поскольку в настоящее время в медицину всё активнее внедряется техника, то для того, чтобы уметь с ней работать, нужно обладать хотя бы элементарными физическими знаниями. Известно, что специалист, владеющий знаниями по физике, будет лучше использовать технику, что сделает его работу более плодотворной и при этом меньше вероятность того, что эта аппаратура будет выведена из строя в результате неумелых действий. В частности, медсестра, проводящая физиопроцедуру с больным, должна представлять себе весь механизм действия на организм данной процедуры и, в случае необходимости, разъяснить больному в доходчивой форме этот механизм.

в) Особенность физики ещё состоит в том, что она учит мыслить логически. Как известно, любому медицинском работнику это качество является необходимым, так как постановка диагноза и проведение курса лечения требует логического мышления. Известно немало случаев, когда неумение медицинского работника мыслить логически приводило к трагическим последствиям из-за неправильной постановки диагноза и неверного лечения.

г) Поскольку в настоящее время активизировалась лженаука, которая пустила свои корни также в медицину, нанося ей огромный вред, специалисты-медики должны ей уметь ей противостоять. Для этого у них должно быть сформировано твёрдое диалектико-материалистическое мировоззрение. Физика как раз такое убеждение и формирует. Физика как наука имеет следующие принципы. Во-первых, презумпция доказуемости; во-вторых, презумпция отсутствия чуда. То есть, всё то, что утверждает физика, должно быть доказано либо экспериментально, либо теоретически. Кроме того, какое-либо необычайное явление до тех пор не будет признано наукой как неоспоримый факт, пока не будут приняты все попытки это опровергнуть. И если явление не будет при этом опровергнуто, то наука его признает как факт и будет заниматься поиском объяснения этого.

Курс медицинской и биологической физики не ставит целью охватить абсолютно всю физику, но из всего курса сделан акцент на те разделы физики, которые максимально приближены к медицине. При изложении материала ставилась именно такая цель. Данный курс также не ставит задачей заставить студентов запомнить все формулы и уметь решать сложные задачи, но при этом делается упор на то, чтобы студент понимал основные физические явления и умел их объяснить. Кроме того, студент должен понимать сущность физических величин и умел с ними оперировать. Студент также должен уметь пользоваться справочными материалами и находить нужные формулы и единицы физических величин.

ЛЕКЦИЯ 1

План лекции

Гармонические колебания

Гармонический спектр

Механические волны

Гармонические колебания

Колебательное движение – один из видов механического движения. В жизни оно встречается повсюду: маятник в настенных часах, груз, подвешенный на пружине, вода в открытом сосуде, вагон на рессорах, корабль на волнах и др. Главной характерной чертой колебательного движения является его повторяемость, т.е. каждое последующее движение повторяет предыдущее.

Для осуществления колебательного движения необходимы следующие условия: во-первых, должно быть наличие инертной массы, во-вторых, при выведении тела из положения равновесия должна возникать возвращающая сила. Данная сила должна быть пропорциональна величине отклонения тела от положения равновесия. Данная сила сообщает телу ускорение.

Давайте рассмотрим более подробно этот процесс. В свободном состоянии сила упругости, направленная вверх, уравновешивается силой тяжести, направленной вниз. При выведении этой системы из положения равновесия, т.е. при оттягивании пружины вниз на расстояние Х, нарушается баланс сил и появляется результирующая сила, направленная к положению равновесия, в данном случае вверх. Под действием этой силы тело приходит в движение, но, поскольку оно обладает массой, то оно проскакивает это положение равновесия и достигает верхнего положения, которое равно по модулю величине первоначального растяжения пружины, т.е. –Х. Снова нарушается баланс сил, теперь возникает равнодействующая сила той же величины, что и в первом случае, только она направлена вниз. Под действием этой силы тело начинает двигаться вниз, по инерции проскакивает положение равновесия и процесс повторяется снова.

Этот процесс можно описать языком математики таким уравнением:

X = A sin (wt + fo)

Здесь:

X - текущая координата

A - амплитуда

w - циклическая частота

t - время

f - фаза

fo- начальная фаза.

 

Следует напомнить, что здесь, как и во всей физике принято координату и амплитуду измерять в метрах, время – в секундах, фазу – в радианах, циклическую частоту – в с^-1.

Кроме того, в физике колебательного движения приняты следующие единицы:

n - частота (Гц)

Т - период (с)

Частота (в герцах) показывает, сколько колебаний совершит тело за 1 секунду.

Частота w (в с^-1) показывает, сколько колебаний тело совершит за 2p секунд.

Период Т показывает продолжительность одного полного колебания (в секундах)

Особенность колебательного движения в том, что его легко можно связать с вращательным. Если представить себе какое-либо тело, движущееся по окружности в плоскости чертежа, то тень от него, падающая на вертикальную ось координат Х, будет совершать колебания вверх-вниз и если развернуть это движение на горизонтальную ось t, то получится кривая, являющаяся синусоидой.

Следует заметить, что графиком вышеуказанного уравнения является кривая той же формы:

Наибольшее затруднение у студентов вызывает понятие фазы. В колебательном движении фаза играет туже роль, что координата в поступательном движении.

Сравним:

X = (ut + X) для поступательного движения

f = (wt + fo) для колебательного движения

 

 

Гармонический спектр

Существует ещё один способ графического изображения колебательного движения.

Французский математик Фурье доказал, что периодический процесс любой формы можно разложить на простые гармонические колебания. В связи с этим, графически колебания можно изобразить гармоническим спектром. По горизонтальной оси откладывается частота, а по вертикальной – амплитуда. Таким образом, гармонический спектр простого синусоидального колебания представляет собой отрезок прямой, перпендикулярный оси частот. Положение отрезка по горизонтали определяется частотой, а длина отрезка – амплитудой колебания.

Спектр сложного колебания представляет собой несколько линий.

Во многих случаях колебания изображать гармоническим спектром удобнее и проще, чем их графиком.

 

Механические волны

Волна – это процесс распространения колебаний в упругой среде. Для того, чтобы волна могла существовать, необходимы следующие условия. Во-первых, должно быть наличие материальных частиц, обладающих массой; во-вторых, должно быть наличие упругой связи между этими частицами.

Волны можно классифицировать по направлению колебаний частиц:

Поперечные

Продольные

 

В поперечной волне частицы колеблются в поперечном направлении, по отношению к направлению распространения; поперечная волна может распространяться только в тех средах, в которой деформация сдвига вызывает упругую силу противодействия, т.е. только в твёрдых телах, а также на свободно висящем шнуре. Поперечная волна обладает свойством поляризации.

В продольной волне частицы колеблются в продольном направлении по отношению к направлению распространения. Эта волна может распространяться в тех средах, в которых деформация сжатия-растяжения вызывает упругую силу противодействия, т.е. и в твёрдых, и в жидких, и в газообразных телах.

В бегущей волне частицы колеблются так, что между двумя соседними частицами существует одинаковый сдвиг фаз. Иными словами, все частицы являются равноправными. Бегущая волна переносит энергию, но само вещество волной не переносится. Это явление можно наблюдать на поверхности воды. Допустим, что мы наблюдаем спокойную поверхность воды озера. На поверхности воды плавают всякие мелкие предметы: листья, щепки и пр. Когда на поверхности воды возникает волна от брошенного камня или от проплывающей моторной лодки, то видим, что волна движется, а предметы, плавающие на воде под действием волны не движутся в сторону её распространения: они просто раскачиваются на волнах, оставаясь на месте.

Следует отметить, что основными характеристиками любого волнового процесса являются:

1. интенсивность (I) (Вт/м²)

Длина волны (l) (м)

Частота (n) (Гц)

Можно ещё привести пример. На стадионе, во время массовых гимнастических выступлений иногда девочки-гимнастки из обручей изображают поперечную волну, что очень красиво выглядит со стороны. Каждая девочка стоит на своём месте и периодически поднимает и опускает обруч. Но они это делают не одновременно: каждая девочка поднимает и опускает обруч с некоторым запозданием по отношению к своей соседке. И получается волна.

 

 

Вопросы для самопроверки

ЛЕКЦИЯ 2

Акустика

План лекции

1. Акустика – как часть физики
2. Скорость звука
3. Классификация звуков
4. Физические и психофизиологические характеристики
5. Закон Вебера - Фехнера
6. Орган слуха
7. Акустика в медицине

Акустика – как часть физики

Как известно, механические волны могут распространяться и в той среде, в которой живёт человек, т.е. в воздухе. Если частота этих волн лежит в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц, то они воспринимаются органом слуха человека.

Скорость звука

Скорость продольных волн в воздухе пропорциональна средней скорости молекул воздуха при их тепловом движении. Поэтому, скорость звука в воздухе зависит от температуры и выражается формулой:

u = 20

При температуре воздуха -30⁰ С скорость звука 311 м\с

При температуре 0⁰ С скорость 330 м\с

При температуре +20⁰ С скорость 342 м\с

Скорость звука в воде и мягких тканях организма - 1500 м\с

Скорость звука в железе - 5000м\с.

 

Отсюда видно, что звук в воздухе распространяется с наименьшей скоростью. Этим и объясняется, что во время грозы, после вспышки молнии гром так сильно запаздывает.

 

 

Классификация звуков

Все звуки поражают своим разнообразием. Однако все звуки можно разбить на три категории:

Шумы

Звуковые удары

Тоны в свою очередь делятся на простые и сложные. Простой тон – это колебание синусоидальной формы. Такой тон даёт, например, камертон. Гармонический спектр простого (или чистого) тона представляет собой только одну спектральную линию.

Сложный тон представляет собой несколько простых синусоидальных колебаний и его гармонический спектр представляет собой целый набор спектральных линий. Одна

из них имеет наибольшую амплитуду и наименьшую частоту. Она называется основным тоном. Все остальные имеют большую частоту, причём, их частоты кратны основной. Такие тона называются обертонами.

Если графиком простого тона является простая синусоида, то графиком сложного тона является сложная кривая, в которой наблюдается строгая периодичность формы, как узор на ткани или на обоях.

 

Шум представляет собой хаотическую смесь всех частот, в которой не прослушивается какой-либо определённый тон. Например, шум струи воздуха, выходящего из баллона, шум текущей воды, шум ветра и т.д. Специалисты по радиоэлектронике могут привести пример «белого» шума, когда радиоприёмник в УКВ-диапазоне на волну не настроен или телевизор старого типа работает при отсутствии телевизионного сигнала или при отключённой антенне.

Гармонический спектр шума представляет собой множество спектральных линий всех частот, которые сливаются в сплошной фон. Спектральные линии в нём по отдельности неразличимы, поэтому спектр шума является сплошным и может характеризоваться только огибающей.

Если огибающая имеет вид горизонтальной прямой, то физики такой шум называют «белым». Существует также шум, в котором высокие частоты несколько занижены. Он на слух воспринимается как более мягкий. («розовый»). Такой шум при длительном воздействии на слух человека меньше утомляет его и оказывает в большинстве случаев усыпляющее действие. В медицинской практике это иногда используется для борьбы с бессонницей.

Ниже приводится график и акустический спектр шума:

 

Звуковой удар представляет собой кратковременный звуковой импульс, график которого представляет собой импульс произвольной формы. Он спектра не имеет, так как этот процесс непериодический.

Известно, что у звука, как и у всякой волны имеются особые физические характеристики.

К ним относятся:

-частота

-интенсивность

-спектр

Но поскольку звук воспринимается не только измерительными приборами, но и слухом, поэтому существуют ещё и психофизиологические характеристики звука, Они определяются по слуховым ощущениям.

К ним относятся:

-высота тона

-громкость

-тембр

Следует подчеркнуть, что физическими характеристиками оперируют в большинстве случаев физики, а психофизиологическими характеристиками оперируют музыканты. В данной таблице приведены соотношения между этими характеристиками:

 

№	Физические характеристики	Психофизиологические характеристики
	Интенсивность (Вт/м2)	Громкость (piano, forte, mezzo forte и др.)
	Частота колебаний (Гц)	Высота тона (название ноты)
	Гармонический спектр	Тембр (название музыкального инструмента)

 

Закон Вебера – Фехнера

Исследованиями установлено, что самый тихий звук – предел слышимости имеет интенсивность

I = 10 ^-12 Вт\м²

Самый громкий звук, который начинает сопровождаться болью,

I = 10 Вт\м²

Эти звуки различаются по интенсивности в 10¹³ раз!

Производить математические операции с такими большими числами неудобно.

Учёные Вебер и Фехнер установили, что ухо человека обладает логарифмической кривой чувствительности. Они установили закон, который носит их имя:

Если интенсивность звука изменяется в геометрической прогрессии, то ощущения его на слух изменяются в арифметической прогрессии.

Это можно выразить формулой:

L = k lg I/Io

Бел (Б) относительная единица, при отношении интенсивностей в 10 раз.

Но практика показывает, что бел – слишком крупная единица и пользоваться ей неудобно. Решили за единицу принять 0,1 бела, т.е. децибел (дБ). Итак, закон Вебера - Фехнера для децибельной шкалы запишется так:

L = 10 lg I/Io

Опыты показывают, что ухо человека неодинаково чувствительно ко всем частотам. Наиболее оно чувствительно к средним частотам 2000 – 4000 Гц. Иными словами, если мы будем давать человеку слушать различные частоты строго одинаковой интенсивности, то слушатель их будет воспринимать с различным уровнем громкости. Звуки с частотами 2000-4000 Гц ему будут казаться наиболее громкими, а звуки на краях диапазона будут ему казаться тихими. Это – особенность нашего органа слуха. Следовательно, шкала интенсивностей и шкала громкостей совпадать не будут. В связи с этим, наряду с децибелом, ввели ещё одну единицу и назвали её фоном. Фон – это относительная единица громкости, наряду с относительной единицей интенсивности децибелом. На частоте 1000 Гц фоны и децибелы численно совпадают и поэтому эта частота в аудиометрии принята за основную. Говоря житейским языком, фоны – это те же децибелы, только измеренные не по прибору, а на слух.

Орган слуха

Орган слуха человека состоит из трёх отделов: наружного уха, среднего уха и внутреннего уха. Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода. Его функция – улавливать звуки и проводить их к среднему уху. Среднее ухо состоит из барабанной перепонки и трёх очень маленьких косточек: молоточка, наковальни и стремечка. Барабанная перепонка улавливает звуковые колебания воздуха и свои колебания передаёт системе косточек. Эти косточки, говоря техническим языком, представляют собой автоматический регулятор чувствительности уха. Ведь ухо должно улавливать и слабые звуки и не повредиться от громких звуков. Когда звук тихий – они занимают такое положение, при котором во внутреннее ухо передаётся полная амплитуда колебаний. Когда звук громкий – они занимают положение, при котором амплитуда колебаний значительно уменьшается. Внутреннее ухо преобразует звуковые колебания в нервные импульсы, которые по слуховому нерву передаются в слуховую область головного мозга.

Внутреннее ухо состоит из улитки, заполненной особой жидкостью. Вдоль улитки проходит особая мембрана, содержащая волосковые клетки, расположенные в поперечном направлении. Чем дальше внутрь улитки – тем волосковые клетки короче.

Венгерский учёный Бекеши установил, что низкие частоты проникают до конца улитки и возбуждают все волосковые клетки. Чем выше частота – тем сильнее затухание звуковой волны в улитке и тем меньше она туда проникает. Его теория получила название теория бегущей волны. Следует отметить, что механизм восприятия звуков ещё до конца не изучен.

 

Акустика в медицине

Существует раздел медицины, который занимается проблемой слуха. Это – отоларингология. Проверка слуха называется аудиометрия. При этом определяется порог слухового ощущения на различных частотах. По результатам измерения строится график, который называется аудиограмма. Сравнивая аудиограммы здорового и больного человека, ставят диагноз.

Ухо – парный орган. Природа дала человеку два уха не только для надёжности, чтобы он продолжал слышать при выходе из строя одного из ушей, но и для того, чтобы он мог определять направление на источник звука. Предположим, что источник звука находится справа от человека. Тогда его правое ухо будет слышать немного громче, чем левое. И он почувствует, что источник звука находится справа от него.

Для диагностики врачу важно знать, какие звуки издают при работе внутренние органы, например, сердце и лёгкие. При этом используется метод, который называется аускультацией или прослушиванием. Врач использует либо специальную деревянную трубку (стетоскоп) или трубку с гибкими звукопроводами (фонендоскоп) и прослушивает больного.

В диагностике ещё используется метод перкуссии или простукивание. Врач простукивает тело больного и слушает образующиеся при этом звуки (перкуторные тона). С помощью перкуссии определяются границы внутренних органов а также их состояние.

Кроме того, звуки сердца могут быть записаны на ленту самописца. Для этого к области сердца прикладывают микрофон, его сигналы усиливаются и подаются на самописец. Такой метод называется фонокардиографией. Он также широко используется в диагностике сердечных заболеваний

 

Вопросы для самопроверки

ЛЕКЦИЯ 3

Ультразвук

План лекции

1. Определение ультразвука
2. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Свойства ультразвука

Определение ультразвука

Полярности.

Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект – явление обратимое, поэтому далее будет рассмотрен обратный пьезоэлектрический эффект.

Если к этому же элементу приложить электрическое поле так, что направление силовых линий совпадёт с направлением главной оси кристалла, то электрическое поле будет либо растягивать кристалл, либо его сжимать.

 

Свойства ультразвука.

Следует отметить, что ультразвук – это тот же звук, только большой частоты. Поэтому, отметим его некоторые характерные свойства.

а) Скорость распространения УЗ в различных средах такая же, как и у звука слышимого диапазона

б) Интенсивность УЗ на несколько порядков выше, чем самого громкого звука.

в) Газы сильно поглощают УЗ волну, так как собственная частота молекул газов того же порядка, что и частота УЗ (резонансное поглощение)

г) При прохождении УЗ волны через границу двух сред с различными акустическими сопротивлениями, наблюдается на границе и отражение и преломление.

д) По законам волновой физики, волна может отразиться только от того тела, которое больше длины волны. Но поскольку длина УЗ волны мала, поэтому УЗ волна может отражаться от препятствий малого размера.

е) По законам волновой физики, волна может быть сфокусирована в пятно, размер которого не может быть меньше длины самой волны. Поскольку длина УЗ волны мала, то она может быть сфокусирована в пятно очень малого размера, плотность энергии в котором достигает гигантской величины

Вопросы для самопроверки

Что такое ультразвук?

ЛЕКЦИЯ 4

Биореология

План лекции

Закон Бернулли.

Закон Бернулли

V1, p1 v2, p2 v3, p3

Согласно уравнению Бернулли, давление жидкости будет выше там, где скорость ниже и наоборот: где скорость выше, там будет давление ниже. На первый взгляд это противоречит здравому смыслу: как так: трубу сузили, а давление уменьшилось? И как насчёт закона Паскаля, не противоречит ли это ему? Но следует подчеркнуть, что закон Паскаля соблюдается только для неподвижных жидкостей, а в данном случае жидкость движется и поэтому, как следует из закона сохранения и превращения энергии, в суженной части, где скорость больше, давление должно быть меньше. Представим себе, что мы проделали сверху во всех участках этой трубы отверстия. Если бы жидкость была неподвижна, из всех отверстий били бы фонтанчики одной и той же высоты. Если бы жидкость была приведена в движение, то наблюдалась бы следующая картина: в широких частях трубы высота фонтанчиков бы увеличилась, а в узкой части – уменьшилась. При дальнейшем увеличении скорости жидкости высота фонтанчиков в узкой части трубы вообще уменьшилась бы до нуля, а при ещё большей скорости в этой части трубы давление стало бы ниже атмосферного и через это отверстие начал бы засасываться атмосферный воздух, т.е. струя жидкости приобрела бы всасывающее действие.

Это явление используется на практике в пульверизаторе и в карбюраторе автомобильного двигателя. Это явление должны учитывать судоводители: когда суда идут параллельным курсом на небольшом расстоянии друг от друга, то возникает сила притяжения между ними. И если не принять соответствующие меры, суда могут стукнуться бортами и произойдёт авария. По этой же причине нельзя стоять рядом с быстро проходящим поездом: ведь проходящий поезд увлекает за собой огромную массу воздуха, а стоящий рядом человек создаёт между собой и поездом суженный канал, в котором, по закону Бернулли, создаётся пониженное давление и человек получает толчок в сторону поезда. А это может привести к несчастному случаю.

 

Lh

Согласно этому уравнению, при перемещении от центра трубы к периферии, скорость течения жидкости изменяется по параболическому закону:

 

 

 

Если r = 0, то есть по оси цилиндра, то v = (p1 – p2)R²/4lh имеет наибольшее значение, т.е. v = vmax Если же r = R, то v = 0

Следовательно, наибольшая скорость течения жидкости – по оси трубы, а у стенки – наименьшая.

Французский врач и физик Пуазейль, изучая движение жидкости по цилиндрической трубе, вывел закон, который получил его имя.

Введём единицу Q, которая будет обозначать секундный объём жидкости, протекающий через трубу, то есть, производительность трубы. Этот параметр выражается формулой:

Q = (p1 – p2)pR⁴

Lh

Эта формула и выражает закон Пуазейля.

Следует отметить, что секндный объём жидкости сильно зависит от радиуса трубы. При увеличении радиуса трубы в 2 раза, секндный объём жидкости, при сохранении всех остальных параметров увеличивается в 16 раз! Вот как выгодно, для увеличения производительности, увеличивать радиус трубы.

 

Число Рейнольдса.

Когда жидкость течёт в трубе, то можно заметить такую закономерность: когда скорость жидкости мала, то её течение – плавное и скорость течения по мере удаления от оси трубы изменяется по параболическому закону. Такое течение называется ламинарным.

Когда же скорость движения жидкости станет выше определённого значения, в потоке жидкости появляются завихрения и порядок перемещения слоёв нарушается. Такое течение называется турбулентным ( от слова «турбо» обозначает вихрь).

Турбулентное движение жидкости создаёт шум, тогда как ламинарное движение – бесшумно.

Мы часто в жизни замечаем турбулентность в движении жидкости. Журчание ручья, шипение воды в водопроводной трубе - это признак того, что имеет место турбулентность. Турбулентность может также проявляться при движении газов.

 

Турбулентное течение

Вопросы для самопроверки

ЛЕКЦИЯ 5.

Электростатика

План лекции:

Конденсатор.

Силовые линии поля.

Согласно современным научным представлениям, материя существует в двух видах: в виде вещества и в виде поля. В природе не так уж и много полей. Существуют лишь такие поля:

А) гравитационное

Б) электрическое

В) магнитное

Г) ядерное

Д) поле слабых взаимодействий.

И больше никаких полей в природе нет и быть не может.

Вся информация о других видах полей (биологическом, торсионном и пр.) является ложной, хотя сторонники этих полей пытаются подвести под эти понятия несуществующих полей какую-то «научную» теорию, но как только используется принцип презумпции доказуемости, то данные лженаучные теории терпят полный крах. Это следует учесть всем специалистам-медикам, так как сторонники лженаучных теорий нагло спекулируют понятиями несуществующих полей: продают за большие деньги всякие бесполезные приборы, которые якобы излечивают все болезни методом «коррекции биополя или торсионного поля». Продаются всевозможные «генераторы торсионных полей», «заряженные» амулеты и прочие совершенно бесполезные предметы. И лишь прочные знания по физике и другим естественным наукам позволят выбить почву из-под ног у тех, кто наживается на обмане населения.

В этой лекции мы рассмотрим одно из реальных полей – электрическое поле.

Как известно, поле не действует на наши органы чувств, не производит ощущений, но тем не менее, существует реально и может быть обнаружено соответствующими приборами.

В чём же оно проявляется?

Ещё в древней Греции было обнаружено, что янтарь, потёртый шерстью, начинал притягивать к себе различные мелкие предметы: соринки, соломинки, сухие листочки. Если же пластмассовую расчёску потереть о чистые и сухие волосы, то она начнёт волосы притягивать. Почему волосы до трения о расчёску не притягивались, а после трения стали притягиваться? Да, после трения на расчёске после трения появился заряд. И его назвали электрическим зарядом. Но почему этого заряда до трения не было? Откуда он взялся после трения? Да, поле существует вокруг всех тел, имеющих электрический заряд. Через это поле передаётся взаимодействие между предметами, удалённых на некоторое расстояние.

Дальнейшие исследования показали, что электрически заряженные тела могут не только притягиваться, но и отталкиваются. Отсюда сделан вывод, что существуют два вида электрических зарядов. Их условно назвали положительный (+) и отрицательный (-). Но эти обозначения – чисто условные. С таким же успехом их можно было назвать, допустим, чёрный и белый, или верхний и нижний и т.д.

Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются. Единицей электрического заряда в международной системе единиц СИ является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского учёного Ш. Кулона. Данный учёный вывел экспериментальным путём закон, который носит его имя:

 

F = k(q1q2)

R²

Здесь:

F – сила притяжения или отталкивания между зарядами

q1 и q2 – величины зарядов

R – расстояние между зарядами

k – коэффициент пропорциональности, равен 9*10⁹ Нм²/Кл²

А существует ли самый маленький заряд? Оказывается да, существует. Имеется такая элементарная частица, заряд которой является самым маленьким и меньше которого в природе не существует. Во всяком случае, по современным данным. Этой частицей является электрон. Эта частица находится в атоме, но только не в центре его, а движется по орбите вокруг атомного ядра. Электрон имеет отрицательный заряд и его величина равна q = e = -1.6*10^-19 Кл. Эта величина называется элементарным электрическим зарядом.

Мы теперь знаем, что представляет собой электрическое поле. Теперь рассмотрим вопрос: а в каких единицах его измерять, чтобы эта единица была объективной?

Оказывается, электрическое поле имеет две характеристики. Одна из них называется напряжённостью.

Чтобы понять эту единицу, возьмём заряд в +1 Кл и поставим его в одну из точек поля и измерим силу, с которой поле действует на этот заряд. И величина этого заряда и будет являться напряжённостью поля.

Но, в принципе, не обязательно брать заряд в 1 Кл. Можно взять произвольный заряд, но в этом случае напряжённость нужно будет вычислить по формуле:

E = F/q

Здесь Е – напряжённость электрического поля. Размерность – Н/Кл.

Поля.

Наиболее удобным является не сам потенциал, а разность потенциалов, или напряжение. То есть:

U = (f2 - f1) Здесь U – напряжение между двумя точками

электрического поля.

Зная, что электрическое поле имеет ещё одну характеристику – потенциал, можно сделать заключение, что и графически поле можно изобразить ещё одним способом. Таким способом являются эквипотенциальные поверхности, то есть поверхности одинакового потенциала.

Рассмотрим картину эквипотенциальных поверхностей тех же самых объектов, что и в предыдущем случае с силовыми линиями.

Ниже изображено однородное электрическое поле:

Эквипотенциальные поверхности однородного электрического поля имеют вид параллельных плоскостей, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга. Они во всех точках поля перпендикулярны силовым линиям. На данном рисунке изображены сплошными линиями силовые линии, а пунктиром – эквипотенциальные поверхности. Ниже изображены картины силовых линий и эквипотенциальных поверхностей уединённого точечного заряда и двух разноимённых точечных зарядов: