лекция 1

1. Лекция № 1 Введение. Механические колебания и волны. Биоакустики. Физические и слуховые характеристики звука.

Курс физики для студентов 1 курса медицинского факультета ОшГУ
Кафедра естественнонаучных дисциплин
Лекция № 1
Введение. Механические колебания и волны.
Биоакустики. Физические и слуховые характеристики
звука.

2.

20 ч
лекции
120 ч
28 ч
практических занятий
72 ч
самостоятельная
работа студентов (СРС)

3.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика. Курс лекций для студентов мед вузов. – Москва, 2014.
2. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика М.: Высшая школа, 2016.
3. Федорова В.Н., Фаустов Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами и решениями
Москва. ГЭОТАР-Медиа. 2011. Москва, Дрофа. 2008.
4. Самойлов В.О. - Медицинская биофизика. –Санкт-Петербург. Спец.лит.2008
5. Тиманюк В. А., Животова Е. Н. Т41 Биофизика: Учебник для студ. вузов.— Х.: Изд-во НФАУ;Золотые
страницы, 2003.— 704 с.: ил.

4.

Физика – это наука, изучающая простейшие и наиболее общие
количественные! закономерности явлений природы, свойства и
строение материи и законы ее естествознания. Физика это наука,
которая используется практически во всех областях человеческой
деятельности.
Материя есть философская категория для обозначения объективной
реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая
копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями,
существуя независимо от них

5.

Выделяют две формы материи: вещество и поле.
Вещество – форма материи, состоящая из элементарных частиц:
протонов, нейтронов, электронов и т.д.
Поле - форма материи, посредством которой осуществляется
взаимодействие между частицами вещества или телами
(электростатическое, электромагнитное, гравитационное, ядерное и др.)
свойство материи - движение или способ существования.
Основные
формы движения:
механическая,
биологическая, химическая и социальная.
физическая,
физическую форму движения материи можно подразделить на
механическую, молекулярно-тепловую, электромагнитную, атомную,
внутриядерную.

6. Физика и медицина

Познай самого себя, и ты познаешь весь мир. Первым занимается медицина, вторым
- физика.
Физику во многом создавали врачи, к исследованиям их побуждали вопросы
медицины. Римский медик Гален (II век н.э.) ввел в обиход понятия "температура" и
"градус", ставшие основополагающими для физики. Уильям Гильберт (1544-1603),
лейб-медик английской королевы, придумал модель для описания земного магнетизма.
Автомобильный карданный вал изобрел итальянский врач Джероламо Кардано (15011576). Выдающийся немецкий ученый, врач Герман Гельмгольц (1821-1894)
сформулировал в современной математической форме закон сохранения энергии.
Французский врач Жан-Луи Пуазейль (1799-1869) вывел формулу для динамической
вязкости. Маятник Фуко, носит имя французского ученого Жан-Бернара-Леона Фуко
(1819-1868), врача по образованию. Английский ученый Томас Юнг (1773-1829),
практикующий врач, вместе с Френелем, считается создателем волновой оптики.

7. Значение физики для медицины

Робот сортирует ДНК человека в чашках Петри для проекта The Human Genome. Создана первая полностью
синтетическая хромосома с геномом. Когда ее встроили в бактериальную клетку, лишенную генетического материала,
она начала функционировать и делиться по предписанным новым геномом законам. В перспективе синтетический
геном позволит создавать вакцины против новых вирусных штаммов, производить эффективное биотопливо, новые
пищевые продукты и т. д.

8. Значение физики для медицины

Несколько исследовательских групп (США, Франция, Германия) научились записывать в мозг мышей ложные
воспоминания, стирать реальные, а также превращать приятные воспоминания в неприятные. До человеческого
мозга дело пока не дошло, но осталось недолго.
.

9. Значение физики для медицины

Получены «этичные» (не из эмбрионов) плюрипотентные стволовые клетки
За последующее десятилетие не менее десятка научных групп добились впечатляющих успехов в данной области, в том
числе с человеческими клетками. Это предвещает скорые прорывы в терапии рака, регенеративной медицине, а также
в клонировании человека (или его органов).

10. Значение физики для медицины

По дыханию распознана ранняя стадия рака легких. Группа израильских, американских и британских ученых
разработала устройство, которое способно точно идентифицировать рак легких и определить, в какой стадии он
находится. Основой устройства стал анализатор дыхания со встроенным наночипом NaNose, способный определять
раковую опухоль с 90-процентной точностью, даже когда раковый узелок практически незаметен. В скором времени
стоит ожидать анализаторов, которые смогут по «запаху» определять и другие виды рака.

11. Значение физики для медицины

Специалисты американской компании Abiomed разработали первое в мире полностью автономное постоянное
искусственное сердце для имплантаций (AbioCor). Искусственное сердце предназначено для пациентов, у которых
невозможно лечение собственного сердца или имплантация донорского.

12. Значение физики для медицины

Появились первые опытные образцы «умных» протезов с обратной связью (эмуляцией осязательных ощущений),
которые позволяют человеку чувствовать то, что «ощущает» протез. В 2010-х годах созданы и отдельные от человека
устройства, управляемые только через мысленный интерфейс (иногда с инвазивными контактами, но чаще это
головной обруч с сухим электродом). Американец испытал бионический ножной протез, поднявшись по лестнице на
103-й этаж небоскреба в Чикаго

13.

Медицинская и биологическая физика
Раздел прикладной физики,
указывающий на особое!
Значение для медицины.
Биофизика- это наука, возникшая на
базе взаимодействия
Физика
Химия
Задачи мед. Физики:
1. Диагностические методы
2. Физиотерапевтические методы
3. Патофизиологические процессы
Биофизика
Математика
Биология

14.

В 1961 г. биофизика как самостоятельная наука была
зарегистрирована на
международном уровне созданием Международного союза общей и прикладной
биофизики.
Биофизика – это наука, изучающая законы физики
и физические
процессы, происходящие в биосистемах на разных уровнях ее организации
Целью биофизики является изучение фундаментальных процессов,
обеспечивающих основу жизнедеятельности всех без исключения живых
организмов, независимо от уровня развития, эволюционной ступени, возраста
индивидуума, среды обитания.
Задачи биофизика
1.Установление закономерностей живой природы путем изучения физических и
химических явлений в организме
2.Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм

15.

1.Изучение
физических
закономерностей,
имеющих место при работе человеческого
организма (физические процессы в организме).
Кровообращение (гидродинамика)
Теплообмен(термодинамика)
Работа сердца (механика),
Дыхание(аэродинамика)
генерацией биопотенциалов (электричество)

16.

2. Изучение физической сущности основных методов
диагностики, их особенностей, приборной базы, а
также при этом диагностической информации.
Давление крови
звуковые методы диагностики
Медицинский термометр
Электрокардиографии
компьютерная рентгеновская
томография, ПЭТ, МРТ
Ульразвуковое исследование

17.

3. Анализ влияния различных физических факторов
на организм человека.
температура,
влажность,
давление воздуха,
электромагнитное излучение в разных диапазонах длин волн,
радиоактивное излучение
Физические свойства материалов
Электроды, протезы,инструменты, повязки

18.

Периодические механические процессы в живом организме
Колебания – это процессы повторяющиеся
во времени.
При этом система многократно отклоняется от своего
состояния равновесия и каждый раз вновь к нему
возвращается.
«
Каждый человек – это сложная
колебательная система.»
Н. Винер

19. Механические колебания и волны

Колебания - это движения, которые повторяются с течением времени.
При этом система многократно отклоняется от своего состояния равновесия и каждый раз вновь к
нему возвращается.
Колебательная система - тело или несколько тел, которые совершают колебания.
Условия возникновения колебаний:
1.На систему должна подействовать внешняя
сила, которая изменяет ее координату
относительно положения равновесия. В
результате система получает запас
потенциальной или кинетической энергии.
2.В системе должна возникать упругая или
квазиупругая сила, которая всегда направлена к
положению равновесия и прямо
пропорциональна смещению тела от положения
равновесия.
3 Сила трения в системе должна быть малой по
величине

20.

Механические колебательные процессы и живой организм
1. Организм как колебательная система:
а) сердце;
б) биоритмы;
г) синтез звуковых колебаний (гортань);
в) пульсирующий ток крови;
д) дыхательный процесс.

21.

2. Воздействие колебаний (волн) на организм:
а) особенности слухового восприятия;
б) вибрации;
в) ультразвуковые колебания;
г) инфразвуковые колебания.

22.

Примеры колебательных систем
Пружинный маятник- тело, подвешенное
на пружине и совершающее колебания вдоль
вертикальной оси под действием силы
упругости пружины.
Математический маятник- это
материальная точка, подвешенная на невесомой
и нерастяжимой нити, находящаяся в поле
тяжести Земли.

23.

КОЛЕБАНИЯ
Fупр+Fтр
Fупр + F тр + F внеш
СВОБОДНЫЕ
Fтр = 0
СВОБОДНЫЕ
ГАРМОНИЧЕСКИЕ
Идеальная
колебательная система
ВЫНУЖДЕННЫЕ
Fтр ≠ 0
СВОБОДНЫЕ
ЗАТУХАЮЩИЕ
Реальная колебательная
система
РЕЗОНАНС
ωо = ωвнеш
АВТОКОЛЕБАНИЯ
Саморегулирующаяся
колебательная система

24. Основные характеристики колебательного движения

Смещение Х [м] – смещение точки от положения равновесия в данный момент времени.
Амплитуда А0 или А– (А0=Хмах) максимального смещения тела от положения
равновесия.

25.

Период Т
– время, в течение которого совершается одно полное колебание.
T = 2
m
k
Частота или линейная частота ν - число полных колебаний в единицу времени.
1
1с = = 1Гц
с
−1
Связана с периодом Т формулой:
1
=
Т

26.

Циклическая или круговая частота ω - число колебаний, совершаемых за 2
секунд.
= 2
[рад/с]
Фаза колебаний φ - это угловой путь, пройденный телом, характеризует смещение в
любой момент времени.
в радианах (рад).
Колебания происходят в
одинаковых фазах.
= 0
Колебания происходят в
противоположных фазах.
=
Колебания происходят в
различных фазах.
=
2

27.

Свободные гармонические колебания
Рассмотрим горизонтальный пружинный маятник. Силу трения
не учитываем. Согласно второму закону Ньютона
ma = Fупр
ma = −kx
d 2x
a=
dt 2
d 2x
m
+ kx = 0
2
dt
Обозначим
k
= 02 , где
m
d 2x
k
+
x=0
2
dt
m
0 - собственная частота колебаний
Тогда дифференциальное уравнение
свободных гармонических колебаний имеет вид:
Решения этого уравнения:
d 2x
2
+
0 x = 0
2
dt
x = A sin( 0t + 0 );
x = A cos( 0t + 0 )

28.

График гармонического колебания – синусоида, по которой можно определить
смещение х колеблющейся точки в любой момент времени t .

29. Затухающие колебания

В реальных условиях любая колебательная система находится под воздействием сил
трения (сопротивления). При этом часть механической энергии превращается во
внутреннюю энергию теплового движения атомов и молекул, и колебания
становятся затухающими.
Затухающими называют колебания, амплитуда которых уменьшается со
временем.
X
0
t

30.

В данном случае на тело массой m действуют уже две силы: сила упругости Fупр и сила трения Fтр .