Tài liệu giảng dạy môn Vật lý lý sinh (Phần lý thuyết)

Phụ lục TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN VẬT LÝ LÝ SINH (PHẦN LÝ THUYẾT) GV biên soạn: Trương Thị Ngọc Chinh Trà Vinh, … /20 Lưu hành nội MỤC LỤC Nội dung Trang CHƢƠNG CƠ SINH HỌC BÀI MỞ ĐẦU BÀI CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG VÀ SỰ VẬN CHUYỂN MÁU TRONG CƠ THỂ 11 BÀI KHÍ VÀ SỰ VẬN CHUYỂN KHÍ TRONG CƠ THỂ NGƢỜI 22 BÀI CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC TRONG CƠ THỂ 28 BÀI HOẠT ĐỘNG CO CƠ 32 BÀI VẬN ĐỘNG LIỆU PHÁP 38 CHƢƠNG CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 42 BÀI MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN VỀ NHIỆT HỌC 43 BÀI NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 45 BÀI NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 50 CHƢƠNG SÓNG VÀ ÂM 54 BÀI SÓNG ÂM 54 BÀI ÂM VÀ SIÊU ÂM 56 BÀI SƠ LƢỢT VỀ ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG NGÀNH Y 66 CHƢƠNG ĐIỆN SINH VẬT 71 BÀI ĐIỆN THẾ SINH VẬT Ở TẾ BÀO SỐNG 71 BÀI ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TỔ CHỨC SỐNG 79 BÀI TÁC DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN LÊN CƠ THỂ VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU TRỊ 86 CHƢƠNG QUANG SINH HỌC 99 BÀI BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG 99 BÀI LASER VÀ ỨNG DỤNG 104 BÀI TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG LÊN CƠ THỂ SỐNG 112 BÀI MẮT VÀ DỤNG CỤ BỔ TRỢ 117 BÀI PHƢƠNG PHÁP HIỂN VI 128 CHƢƠNG PHÓNG XẠ SINH HỌC 139 BÀI CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA BỨC XẠ ION HÓA 139 BÀI TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HOÁ 144 BÀI ỨNG DỤNG BỨC XẠ VÀO Y HỌC 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 162 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh CHƢƠNG CƠ SINH HỌC BÀI MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: Sau học xong này, ngƣời học có thể: - Trình bày đƣợc tầm quan trọng vật lý môn khoa học khác, y học lâm sàng bảo vệ sức khỏe cộng đồng - Dùng đơn vị đo lƣờng nhà nƣớc Việt Nam cơng việc ngày - Giải thích đƣợc biến đổi thể, nhu cầu lƣợng thể Định nghĩa nội dung lý sinh Vật lí học ngành khoa học tự nhi n nghi n cứu nh ng d ng vận động nh t vật ch t tìm cách ứng dụng chúng phục vụ đời sống Trong trình phát triển , ngành khoa học đan xen vào làm nảy sinh ngành khoa học mới, thí dụ nhƣ lý sinh, h a sinh Nh ng phát minh lớn vật lý định luật bảo tồn , tính ch t lƣợng t , nh ng thuyết vật lý v ch t vật ch t c đ c tính chung mức độ khác nhau, c tác dụng giới sống c ng nhƣ kh ng sống, cho n n c thể coi vật lý sở khoa học tự nhi n Lý sinh vật lý v sống quan hệ mật thiết với y học đ i do: - Sự ứng dụng nh ng qui luật vật lý để nghi n cứu nh ng trình sống, để hiểu giải thích nh ng tƣợng xảy tr n thể ngƣời, tr n quần thể sống Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh - S dụng nh ng phƣơng pháp vật lý, nh ng máy m c thiết bị việc ch n đoán bệnh, u trị bệnh, bảo vệ sức khỏe cộng đồng việc bảo vệ m i trƣờng sống - S dụng nh ng phƣơng pháp suy ngh đƣợc th a nhận vật lý cho việc x y dựng giới quan khoa học ngƣời thầy thuốc Khi nghi n cứu tƣợng vật lý xảy tr n vật thể sống ho c kh ng sống, phƣơng pháp phổ biến t o n n hồn cảnh thí nghiệm tƣơng tự nhƣ kiện đ xảy ho c t o n n m hình tƣơng đối giống nhƣ tƣợng đƣợc khảo sát, tr n sở đ mà hoàn ch nh dần u kiện th ng số tƣợng Thí dụ để nghi n cứu v tim hệ tuần hoàn, ngƣời ta c thể chế t o n n hệ th ng ống d n kín mà thành ống c tính đàn hồi máy bơm với c ng su t xác định, ho t động lien tục Cho đến nay, tƣơng vật lý xảy đƣợc giải thích lo i tƣơng tác sau: Tƣơng tác h p d n: tƣơng tác đƣợc di n tả định luật v n vật h p d n Newton Hai vật b t kì hút lực t lệ thuận với khối lƣợng chúng t lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách gi a chúng Tƣơng tác điện t : tƣơng tác đƣợc di n tả định luật Coulomb c d ng tƣơng tự định luật h p d n: Hai điện tích hút ho c đ y lực t lệ thuận với điện tích chúng t lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách gi a chúng Tƣơng tác h t nh n m nh: tƣơng tác xảy r t đáng kể ph m vi kích thƣớc h t nh n, khoảng -15m, n đảm bảo tồn t i h t nh n nguy n t Tƣơng tác h t nh n yếu: tƣơng tác g n li n với phát x h t nh n nguy n t Thời gian gần đ y, nhi u ngƣời n i đến tồn t i trƣờng sinh học tƣơng ứng với n tƣơng tác trƣờng sinh học nhƣng ch t trƣờng sinh học v n chƣa đƣợc chứng minh r rệt Đo lƣờng đơn vị đo 2.1 ệ ệ ệ M i thuộc tính đối tƣợng vật lý đ c trƣng hay nhi u đ i lƣợng vật lý Một nh ng v n đ vật lý học v n đ đo lƣờng đ i lƣợng vật lý Đo đ i lƣợng vật tức chọn đ i lƣợng lo i làm m u (gọi đơn vị) so sánh đ i lƣợng phải đo với m u đơn vị đ Trị số đo đ i lƣợng đ phải t số: Muốn định ngh a đơn vị đ i lƣợng, ngƣời ta phải chọn trƣớc số đơn vị làm m u gọi đơn vị Các đơn vị khác đƣợc suy t đơn vị gọi đơn vị d n xu t Tùy theo đơn vị chọn trƣớc suy nh ng đơn vị d n xu t khác Tập hợp đơn vị đ chọn đơn vị d n xu t tƣơng ứng gọi hệ đơn vị Các đơn vị thƣờng đƣợc chọn cho thõa mãn số yêu cầu: Các đơn vị phải tiện lợi tính tốn; cơng thức vật lý có nh ng hệ số đơn giản hợp lý; số liệu khoa học đƣợc thống nh t gi a nƣớc để tiện trao đổi Trong khứ, ngƣời ta dùng: - Hệ CGS: đơn vị xăngtimét cm , gam g gi y s - Hệ MKS: đơn vị mét (m), kilogram (kg) giây (s) Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Năm 196 , nhi u nƣớc giới đ họp chọn hệ đơn vị thống nh t gọi hệ SI (international) – hệ quốc tế Năm 1965, phủ Việt Nam đ ban hành Bảng đơn vị đo lƣờng hợp pháp nƣớc Việt Nam dựa tr n sở hệ SI Trong hệ SI đơn vị là: - Đơn vị chi u dài: mét (m) - Đơn vị khối lƣợng: kilogram (kg) - Đơn vị thời gian : giây (s) - Đơn vị cƣờng độ dòng điện: Ampe (A) - Đơn vị cƣờng độ sáng: Candela (cd) - Đơn vị nhiệt độ: độ Kelvin (0K) T đơn vị đ , ngƣời ta định ngh a đơn vị d n xu t Thí dụ đơn vị SI cho cơng su t, gọi ốt (viết t t W đƣợc định ngh a theo đơn vị khối lƣợng, độ dài thời gian 1oat=1W=1kg.m2/s3 Bảng 1.1 Các tiền t c a hệ Ti ầu ngữ Ký hiệu Thừa s Ti m thập phân ầu ngữ Ký hiệu Thừa s Đe ca da 10 Đ xi d 10-1 Hecto 102 Xăngti c 10-2 Kilo k 103 Mili m 10-3 Mega M 106 Micro Giga G 109 Nano n 10-9 Tera T 1012 Pico p 10-12 10-6 Để di n tả số đo lớn ho c nhỏ, ngƣời ta bổ sung vào đơn vị đo ti n tố hệ đếm thập phân bảng 1.1 Do th i quen, ngƣời ta hay dùng đơn vị sau: o - 1Angstron (1 A ) = 10-10m = 10-8 cm - phút = 60s - = 3600 s = 60 phút 2.2 Đạ ô e Một số đ i lƣợng vật lý đơn vị đo c thể đ c trƣng số liệu cách đơn trị, đ đ i lƣợng v hƣớng Thí dụ khoảng thời gian, lƣợng, nhiệt độ, thể tích Các đ i lƣợng khác, chẳng h n tốc độ, gia tốc, lực, cƣờng độ điện trƣờng, cƣờng độ t trƣờng kh ng nh ng đ c trƣng trị số đ mà cần ch r hƣớng chúng kh ng gian, đ đ i lƣợng vectơ Các đ i lƣợng biểu di n tuân theo quy luật đ i số vectơ Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 2.3 Độ lớn kh thông dụng ng, chiều dài, th i gian, c a s 1.2 Độ lớn c a kh Bả Đ ng Các s vật lý ng s ng ng vật lý Kh ng (kg) -30 Điện t 0,9.10 Proton 1,67.10-27 Phân t AND 10-15 lit nƣớc Con ngƣời trƣởng thành 0,5 – 0,8.102 Ơ tơ 103 Tàu thủy 107 Trái Đ t 6.1024 M t trời 2.1030 Bảng 1.3 Độ lớn chiều dài s Đ ng vật lý ng Chiều dài Giới h n v trụ (khoảng đƣờng ánh sáng đƣợc t Big Bang tới – khoảng 15 t năm ~1026 Một năm ánh sáng ~1015 Khoảng cách Trái Đ t – M t Trời ~1012 Khoảng cách Trái Đ t – M t Trăng ~109 Chi u cao ngƣời 1,5~1,9 Một số virus ~10-6 Phân t lớn ~10-9-10-8 Kích thƣớc nguyên t ~10-10 Kích thƣớc h t nhân nguyên t 10-15 Cận tr n bán kính điện t 10-18 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Bảng 1.4 Khoảng cách th i gian s trình vật lý Quá trình Khoảng th i gian (s) Thời gian ánh sáng qua nucleon 10-24 Chu kỳ dao động h t nhân 10-21 Chu kỳ dao động nguyên t 10-14 Chu kỳ dao động sóng vơ tuyến truy n hình 10-8 Chu kỳ dao động sóng âm 10-3 Nhịp tim 1 năm 108 Đời ngƣời 1010 Xu t ngƣời tr n Trái Đ t 1014 Tuổi v trụ 1018 Bảng 1.5 Các s vật lý thông dụng Tên s Ký hiệu Giá trị c 3.108ms-1 NA 6,023.1023phân t mol-1 Hằng số Boltzmann k 1,381.10-23JK-1 Hằng số h p d n v trụ G 6,672.10-11m3kg-1s-2 Gia tốc trọng trƣờng g 9,81ms-2 Hằng số Coulomb K 9.109N.m2C-2 Khối lƣợng electron m0 9,109.10-31kg Điện tích nguyên tố e 1,602.10-19C Khối lƣợng proton mp 1,673.10-27kg Khối lƣợng notron mn 1,675.10-27kg Hằng số Rydberg RB 1,097.10-7m-1 Bán kính Bohr a0 5,29.10-11m uma 1,66.10-27kg h 6,63.10-34J.s Tốc độ ánh sáng chân không Số Avogadro Đơn vị khối lƣợng nguyên t Hằng số Planck Các dạng lƣợng biến đổi lƣợng thể sống Các hệ thống sống trình tồn t i c ng nhƣ trì ho t động nh t định phải thực trao đổi vật ch t lƣợng với m i trƣờng xung quanh Nhƣ thể lu n tồn t i hai trình quan trọng kh ng thể tách ròi mà bổ sung cho nhau, t o u kiện cho nhau, đồng thời ta c ng th y đƣợc mối quan hệ đ c biệt chúng với m i trƣờng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Năng lƣợng đ i lƣợng đ c trƣng cho mức độ vận động vật ch t Một vật tr ng thái xác định có lƣợng xác định Khi vật không cô lập, ngh a c tƣơng tác với vật bên Sự trao đổi lƣợng thực cách sinh công ho c truy n nhiệt Đối với Lý sinh đ c biệt Lý sinh y học v n đ quan tâm d ng lƣợng biến đổi chúng thể sống Năng lƣợng số đo chung chuyển động vật ch t hình thức chuyển động khác M i hình thức vận động cụ thể tƣơng ứng với d ng lƣợng Cơ thể đƣợc c u t o t nguyên t , phân t vật ch t vận động biến đổi, thể c ng c đầy đủ d ng lƣợng 3.1 C ể Trong thể tùy lúc, tùy nơi mà c thể tồn t i d ng lƣợng sau đ y: 3.1.1.Cơ - Cơ năng lƣợng chuyển động học tƣơng tác học, gi a vật ho c phần t vật Cơ hệ vật tổng động hệ y - Động số đo phần vận tốc n định Trong thể động g p nh ng nơi c chuyển động: di chuyển thể, vận chuyển máu hệ tuần hồn, vận chuyển khí đƣờng hô h p, vận chuyển thức ăn ống tiêu hóa, vận chuyển vật ch t qua màng tế bào - Thế phần hệ quy định tƣơng tác gi a phần với với trƣờng lực Thế công mà lực thực đƣợc di chuyển hệ t vị trí (c u hình xét tới vị trí (c u hình) quy ƣớc Đối với thể, xét v toàn bộ, tồn t i trƣờng h p d n trái đ t có Gi a t ng quan, phận thể c ng tồn t i di chuyển vị trí tƣơng đối nhau, ho c thay đổi c u hình trình thực chức thể sống 3.1.2 Đ ệ Điện năng lƣợng liên quan tới chuyển động phần t mang điện điện tích), nhi u trƣờng hợp đ electron Trong thể, điện c vận chuyển thành dòng ion qua màng tế bào, phát lo i s ng điện t vào kh ng gian xung quanh Điện làm cho hƣng ph n đƣợc d n truy n tế bào, đảm bảo cho ho t động tế bào Kh ng c n thể tồn t i đƣợc 3.1.3 ó Hóa năng lƣợng gi cho nguyên t , nhóm hóa chức có vị trí khơng gian nh t định phân t Năng lƣợng đƣợc giải phóng phân t bị phá vỡ Độ lớn lƣợng đƣợc giải phóng tùy thuộc t ng liên kết H a g p b t nơi c ph n t hóa học, đ n c kh p thể H a thể tồn t i dƣới nhi u hình thức: h a ch t t o hình, h a ch t dự tr nhƣ glycogen, lipid, protid , h a ch t đảm bảo ho t động chức năng, h a hợp ch t giàu lƣợng 3.1.4 Q Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh ... HỌC 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 162 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh CHƢƠNG CƠ SINH HỌC BÀI MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: Sau học xong... trọng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh tƣợng sinh học quy luật ngành khoa học khác c ng tu n theo quy luật chung vật lý học Câu hỏi (bài tập) củng cố: Xác định sơ lƣợc quan hệ gi a môn học Lý. .. trƣờng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Năng lƣợng đ i lƣợng đ c trƣng cho mức độ vận động vật ch t Một vật tr ng thái xác định có lƣợng xác định Khi vật không cô lập, ngh a c tƣơng tác với vật