giao trình vật lý, lý sinh y học

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa, y học dự phòng, răng hàm mặt) THÁI NGUYÊN - 2011 E ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa, y học dự phòng, răng hàm mặt) Tham gia biên soạn : TS. Bùi Văn Thiện (Chủ biên) Ths. Nguyễn Quang Đông Ths. Nguyễn Xuân Hòa Thư ký biên soạn: Ths. Nguyễn Quang Đông THÁI NGUYÊN - 2011 ii GIÁO TRÌNH VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC Chủ biên: TS. Bùi Văn Thiện Tham gia biên soạn: TS. Bùi Văn Thiện ThS. Nguyễn Quang Đông ThS. Nguyễn Xuân Hòa ThS. Nguyễn Minh Tân CN. Vũ Thị Thúy Thư ký biên soạn: ThS. Nguyễn Quang Đông i MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 PHẦN: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Phần thứ nhất: CƠ HỌC 3 Bài mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG 3 Chương 1: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG 6 1.1. Chuyển động dao động 6 1.2. Chuyển động sóng 8 1.3. Sóng âm 10 1.4. Hiệu ứng doppler và ứng dụng 16 Chương 2: CƠ HỌC CHẤT LƯU 19 2.1. Đặc điểm của chất lưu 19 2.2. Tĩnh học chất lưu 19 2.3. Động lực học chất lưu lý tưởng 21 2.4. Hiện tượng nhớt - ứng dụng 23 Phần thứ hai: NHIỆT HỌC 25 Mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 25 Chương 3: CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ 28 3.1. Thuyết động học chất khí và khí lý tưởng 28 3.2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng 30 Chương 4: CHẤT LỎNG 32 4.1. Cấu tạo và chuyển động phương tử của chất lỏng 32 4.2. Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng 33 4.3. Hiện tượng mao dẫn 39 4.4. Hiện tượng sôi, hiện tượng bay hơi 43 Phần thứ ba: ĐIỆN TỪ 45 Chương 5: TĨNH ĐIỆN 45 5.1. Khái niệm mở đầu 45 5.2. Định luật culông (coulomb) 46 5.3. Điện trường của các điện tích điểm 48 5.4. Điện thế, hiệu điện thế 50 ii Chương 6: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI 49 6.1. Những khái niệm mở đầu 49 6.2. Những đại lượng đặc trưng của dòng điện 50 Chương 7: TỪ TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI 54 7.1. Thí nghiệm về tương tác từ của dòng điện 54 7.2. Định luật ampe (amper) về tương tác từ của dòng điện 55 7.3. Vectơ cảm ứng từ, vectơ cường độ từ trường 56 Chương 8: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 62 8.1. Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ 62 8.2. Các định luật cơ bản về cảm ứng điện từ 63 8.3. Một số trường hợp đặc biệt của cảm ứng điện từ 65 Phần thứ tư: QUANG HỌC 67 Chương 9: CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC - DỤNG CỤ QUANG HỌC 67 9.1. Các định luật cơ bản của quang hình học 67 9.2. Dụng cụ quang học 71 Chương 10: BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG 82 10.1. Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng 82 10.2. Hiện tượng giao thoa ánh sáng 85 10.3. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 92 10.4. Hiện tượng phân cực ánh sáng 98 10.5. Thuyết lượng tử về bản chất của ánh sáng 99 PHẦN: LÝ SINH Y HỌC 105 Chương 11: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC.106 11.1. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và ứng dụng trong y học 106 11.2. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và ứng dụng trong y học 108 Chương 12: VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 113 12.1. Các hiện tượng vận chuyển vật chất cơ bản trong cơ thể sinh vật 113 12.2. Sự vận chuyển của vật chất qua màng tế bào 121 Chương 13: LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP 134 13.1. Lý sinh tuần hoàn 134 13.2. Lý sinh hô hấp 146 iii Chng 14: NG DNG CA SểNG M V SIấU M TRONG Y HC 154 14.1. ng dng ca súng õm 154 14.2. ng dng ca siờu õm 162 Chng 15: CC HIN TNG IN TRấN C TH SNG 168 15.1. Hin tng in sinh vt - c ch phỏt sinh v lan truyn 168 15.2. C ch dn truyn súng hng phn t thn kinh n c 175 15.3. Tỏc dng ca dũng in lờn c th v ng dng trong iu tr 184 Chng 16: QUANG SINH HC 189 16.1. C ch hp th ỏnh sỏng v phỏt sỏng 189 16.2. Tỏc dng ca ỏnh sỏng lờn c th sng 199 16.3. Mt v dng c b tr 203 16.4. Laser v ng dng trong y hc 216 Chng 17: Y HC PHểNG X V HT NHN 226 17.1. Tia phúng x 226 17.2. Tỏc dng sinh hc ca bc x ion hoỏ 234 17.3. ng dng ca tia phúng x trong y hc v an ton phúng x 237 Chng 18: BC X RNGHEN (TIA X) V NG DNG 243 18.1. Hin tng bc x tia x v ng dng trong y hc 243 18.2. K thut chp ct lp vi tớnh v ng dng 248 Chng 19: PHNG PHP CNG HNG T HT NHN 253 19.1. Cơ sở vật lý của phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân 253 19.2. Chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân 259 TI LIU THAM KHO 264 1 LỜI NÓI ĐẦU Vật lý học là một ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu những tính chất, quy luật cơ bản và khái quát nhất của thế giới vật chất. Những thành tựu của vật lý được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong Y học, những ứng dụng của Vật lý học như: sử dụng các kĩ thuật vật lý trong chẩn đoán và điều trị, đ iện tim, điện tâm đồ, điện não đồ, điều trị bằng nhiệt, bằng từ trường, ứng dụng của âm và siêu âm, chụp X quang, sợi quang học trong mổ nội soi, ứng dụng của phóng xạ, chụp hình cắt lớp vi tính, chụp cộng hưởng từ hạt nhân, mắt và các dụng cụ quang học, ứng dụng của ánh sáng trong điều trị, những ứng dụng củ a laser đã làm cho ngành Y có một sự phát triển vượt bậc, giúp các thầy thuốc chẩn đoán chính xác và điều trị có hiệu quả cao. Giảng dạy môn Vật lý - Lý sinh y học nhằm trang bị cho sinh viên ngành Y những kiến thức vật lý cơ bản nhất liên quan phục vụ ngành nghề Y – Dược, rèn luyện cho sinh viên phương pháp tư duy khoa học, kết hợp giữa lý thuyết với thực tiễn, đồng thời giúp họ có thể họ c các môn học khác như: Sinh, Hoá, Hoá - Lý, Vật lý trị liệu - phục hồi chức năng, Chẩn đoán hình ảnh, y học hạt nhân,… và các môn học khác có liên quan. Giáo trình này được biên soạn theo chương trình đào tạo mới xây dựng của trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên. Do đối tượng đào tạo chủ yếu là sinh viên miền núi, nên khả năng tiếp thu kiến thức vật lý có nhiều hạn chế. Vì vậy việc biên so ạn một giáo trình Vật lý - Lý sinh y học vừa đảm bảo tính cơ bản và hệ thống kiến thức, phù hợp với chương trình khung của Bộ, vừa phù hợp với đối tượng đào tạo theo tín chỉ là một việc làm cần thiết. Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế, chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp và các em sinh viên để giáo trình ngày càng đượ c hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 28 tháng 8 năm 2011 BỘ MÔN VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC 2 PHẦN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 3 Phần thứ nhất: CƠ HỌC Bài mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG 1.1. Chuyển động cơ học Là sự thay đổi vị trí của vật hay một bộ phận của vật trong không gian theo thời gian. 1.2. Chất điểm Là một vật có khối lượng nhưng có kích thước nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách mà ta đang khảo sát. Một tập hợp chất điểm gọi là hệ chất điểm (Một vật có thể coi là tậ p hợp của vô số chất điểm). Chất điểm có tính tương đối. Ví dụ: Electron chuyển động trên quĩ đạo quanh hạt nhân; Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời được coi là chất điểm. 1.3. Hệ qui chiếu Vật được chọn làm mốc, cùng với hệ toạ độ và một chiếc đồng hồ gắn liền với nó, để xác định vị trí của vật khác, g ọi là hệ qui chiếu. 1.4. Phương trình chuyển động của chất điểm Trong hệ toạ độ Đề các, vị trí của chất điểm M tại một thời điểm nào đó được xác định bởi 3 toạ độ x, y, z hoặc bởi bán kính véc tơ r G , đều là những hàm của thời gian. x = x(t); y = y(t); z = z(t) r = r(t) GG Các phương trình trên gọi là các phương trình chuyển động của chất điểm. 1.5. Quỹ dạo chuyển động Quỹ đạo chuyển động là đường mà chất điểm vạch ra trong không gian khi chuyển động. Muốn xác định được dạng quỹ đạo, ta phải tìm phương trình quỹ đạo. Phương trình quỹ đạo là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các toạ độ. Ví dụ: y = ax 2 + bx +c (Quỹ đạo parabol) M(x, y, z) z y x 4 1.6. Tính chất tương đối của chuyển động Chuyển động có tính tương đối, tuỳ theo hệ qui chiếu ta chọn, một vật có thể coi là đứng yên hay chuyển động. Ví dụ: Một người đang đứng yên trên tàu hoả, nhưng lại chuyển động so với cột cây số bên đường. 1.7. Đơn vị đo lường Mỗi một thuộc tính của một đối tượng vật lý được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý. Một trong những vấn đề cơ bản của vật lí học là đo lường các đại lượng vật lý. Người ta phải chọn một đại lượng làm mẫu gọi là đơn vị. Từ năm 1965 người ta đã chọn hệ đo lường quốc tế SI (System International - Hệ quốc tế). Bảng 1.1. Bảy đại lượng vật lý cơ bản trong hệ SI Tên đại lượng Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu đơn vị Chiều dài L met m Khối lượng M kilogam kg Thời gian T giây s Cường độ dòng điện I ampe A Cường độ sáng J candela Cd Nhiệt độ θ Kelvin K Lượng vật chất N mol Mol Muốn biểu diễn những số rất nhỏ hay rất lớn, người ta dùng luỹ thừa 10. Ví dụ: 3,6 mA = 3,6.10 -3 A 2,0 nm = 2,0.10 -9 m Bảng 1.2 Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu 10 12 Tera T 10 -1 dexi D 10 9 Giga G 10 -2 centi C 10 6 Mega M 10 -3 mili M 10 3 Kilo K 10 -6 micro μ 10 2 Hecto H 10 -9 nano N 10 1 Deca D 10 -12 pico P [...]... chuyển động cơ, đó là sự thay đổi vị trí của các vật vĩ mô trong không gian Khi nghiên cứu chuyển động đó ta chưa chú ý đến quá trình x y ra bên trong vật, chưa xét đến những quá trình liên quan đến cấu tạo của vật Thực tế có nhiều hiện tượng liên quan đến các quá trình x y ra bên trong vật Ví dụ: vật có thể nóng ch y hoặc bốc hơi khi bị đun nóng, vật nóng lên khi bị ma sát Những hiện tượng n y liên... của con lắc: T = 2π Thứ nguyên của hai vế là: T = l g L = T L.T -2 Như v y về mặt thứ nguyên công thức trên là hợp lý 1.9 Các đại lượng vật lý Mỗi thuộc tính của một đối tượng vật lý (Một vật thể, một hiện tượng, một quá trình ) được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý Ví dụ: Khối lượng, thời gian, thể tích, lực, năng lượng Các đại lượng vật lí có thể là vô hướng hay đại lượng véc tơ (hữu hướng)... phương trình trạng thái Khi nghiên cứu một vật nếu tính chất của nó thay đổi ta nói trạng thái của vật đã thay đổi Như v y các tính chất của một vật biểu hiện trạng thái của vật đó và ta có thể dùng một tập hợp các tính chất để xác định trạng của một vật Mỗi tính chất thường được biểu hiện bằng một đại lượng vật lý và như v y trạng thái của một vật được xác định bằng một tập hợp xác định các đại lượng vật. .. dùng một phương pháp khác Đó là phương pháp vật lý thống kê Phương pháp n y không xét chuyển động của từng phân tử riêng rẽ mà xét chuyển động chung của cả tập hợp phân tử và do đó các đại lượng vật lý phải l y giá trị trung bình đối với tất cả các phân tử Trước tiên ta xét cấu tạo vật chất từ các phân tử, đó là thuyết động học phân tử 3.1.1 Nội dung thuyết động học phân tử - Các chất có cấu tạo gián đoạn... chất của hiện tượng Tuy nhiên, trong một số trường hợp việc ứng dụng phương pháp n y tương đối phức tạp • Phương pháp nhiệt động học: Phương pháp n y được ứng dụng trong phần nhiệt động học Nhiệt động học là nghành vật lý nghiên cứu điều kiện biến hoá năng lượng từ dạng n y sang dạng khác và nghiên cứu những biến đổi đó về mặt định lượng Phương pháp nhiệt động học dựa trên hai nguyên lý cơ bản rút ra từ... thực nghiệm là nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai của nhiệt động học Nhờ các nguyên lý n y không cần chú ý đến cấu tạo phân tử của các vật ta cũng có thể rút ra nhiều kết luận về tính chất của các vật trong những điều kiện khác nhau Mặc dù có những hạn chế ở chỗ không giải thích sâu sắc bản chất của hiện tượng nhưng trong nhiều vấn đề thực tế nhiệt động học cho ta cách giải quyết rất đơn giản 25... xo trái đ y, vật lại qua vị trí cân bằng rồi sang phải Quá trình cứ lặp lại như v y nhiều lần sau từng khoảng thời gian bằng nhau Người ta gọi chuyển động đó là chuyển động dao động - Con lắc đơn L y một sợi d y mảnh, không co giãn, chiều dài l Một đầu d y buộc vào vật nặng khối lượng m, đầu kia buộc vào bản cố định Ta có một con lắc đơn Thoạt đầu dưới tác dụng của trọng lực P con lắc đứng y n 6 Hình... một dạng chuyển động mới của vật chất đó là chuyển động nhiệt Chuyển động nhiệt chính là đối tượng nghiên cứu của nhiệt học Để nghiên cứu chuyển động nhiệt người ta dùng hai phương pháp: • Phương pháp thống kê: Phương pháp n y ứng dụng trong phần vật lý phân tử Ta biết rằng các chất cấu tạo bởi nguyên tử, phân tử riêng biệt rồi dựa vào các qui luật thống kê để xác định các tính chất của vật Phương pháp... một hằng số vật lý cùng với các hằng số vật lý khác dùng để định tính các chất Chú ý: hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ là vì lực nội ma sát g y ra do các phân tử chất lỏng chuyển động tương đối với nhau Khi nhiệt độ thay đổi thì trạng thái chuyển động của các phân tử cũng thay đổi Hệ số nhớt được xác định bằng thực nghiệm, có ý nghĩa trong y học Chẳng hạn xác định hệ số nhớt của máu, huyết thanh cho... trầm xuống) V y hiệu ứng Doppler là hiệu ứng lệch tần số giữa nguồn phát và nguồn thu thu được khi chúng chuyển động tương đối với nhau 1.4.2 Giải thích Gọi u là vận tốc chuyển động của nguồn âm A, u' là vận tốc chuyển động của m y thu B và v là vận tốc truyền âm (v chỉ phụ thuộc môi trường truyền âm mà không phụ thuộc sự chuyển động của nguồn âm) Ta quy ước rằng, nếu nguồn âm đi tới gần m y thu thì u . THÁI NGUYÊN - 2011 E ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành:. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa, y học dự phòng, răng. 11: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC.106 11.1. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và ứng dụng trong y học 106 11.2. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và ứng dụng trong y học 108 Chương