Межпредметные и внутрипредметные связи

СБОРНИК УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ПОСОБИЙ

ПО ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

МЕДИЦИНСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

для студентов

Дисциплина: медицинская и биологическая физика

Контингент обучающихся: студенты 1 курса

Обсужден на заседании кафедры медицинской «Утверждаю»

и биологической физики

№ протокола 3

Дата 16.10.2009 зав.кафедрой Чистякова Н.Я.

Авторы: Волков М.Е., Вязанкина М.К., Малевская И.И., Неженцев В.В.,

Смирнова Т.А., Тюшев В.Е., Ушверидзе Л.А., Чистякова Н.Я.

Рецензент: Свидовый В.И., профессор, кафедра медицины труда СПбГМА

Санкт-Петербург

СОДЕРЖАНИЕ

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца и счета капель. Влияние ПАВ на коэффициент поверхностного натяжения. . . . . . . . . 2

Автор:И.И.Малевская

Исследование зависимости вязкости растворов от их концентрации с помощью

Вискозиметра. Измерение вязкости крови и кровезаменителей. . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Автор:М.К.Вязанкина

Гемодинамика. Физические основы кровообращения. Изучение устройства и

Принципа действия приборов для измерения давления крови. . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Автор:М.Е.Волков

Измерение индуктивности и емкости в цепи переменного тока. Определение

Импеданса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Автор:М.Е.Волков

Пассивные электрические свойства живых тканей по отношению к переменному

Току . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

Автор:В.Е.Тюшев

Системы получения медико-биологической информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

Автор:М.Е.Волков

Изучение физических основ электрокардиографии. Определение амплитудных

И временных параметров ЭКГ . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Автор:Н.Я.Чистякова

Изучение работы термопары. Измерение температуры кожных участков тела. .112

Автор:И.И.Малевская

Определение показателя преломления жидкости при помощи рефрактометра . 129

Автор:Т.А.Смирнова

Поляризация света. Свет естественный и поляризованный. Способы получения

Поляризованного света. Закон Малюса. Вращение плоскости поляризации.

Поляриметрия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . .147

Автор:И.И.Малевская

Опытная проверка закона Бугера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164

Автор:Т.А.Смирнова

Оценка размеров эритроцитов с помощью лазеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

Автор:Л.А.Ушверидзе

Определение коэффициента поглощения гамма-квантов в металлах. Работа с

Радиометром. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Автор:В.В.Неженцев

Определение поверхностного натяжения жидкостей различными методами. Влияние ПАВ на коэффициент поверхностного натяжения.

ВВЕДЕНИЕ

Для объективной оценки состояния больного необходимо интегральное исследование белкового, липидного, электролитного и других видов обмена. Возможность такой оценки в кратчайшие сроки дает нам изучение поверхностного натяжения биологических жидкостей организма больного.
Изменения биохимического состава биологических жидкостей, происходящее при различных патологиях, в первую очередь касаются низко- и высокомолекулярных поверхностно-активных компонентов таких как белки, липиды и др., входящих в состав биологических жидкостей. Динамическая тензиометрия и реометрия биологических жидкостей организма человека (кровь, моча, лимфа, синовиальная, околоплодная, спинномозговая жидкости и т. д.) получает в последние годы все большее развитие. Очень важна роль синтеза поверхностно-активных веществ в альвеолярной жидкости для нормального процесса дыхания с учетом периодичности данного процесса в соответствии с вдохом и выдохом. Поверхностное натяжение имеет место при фагоцитозе и наркозе. Гигиеническое значение поверхностно-активных веществ незаменимо при обработке медицинского инструмента. Газовая эмболия также неразрывно связана с явлением поверхностного натяжения.

Цель занятия

- сформировать новые теоретические знания по теме:

· потенциальная энергия поверхностного слоя жидкости

· капиллярные явления

· смачивающая и несмачивающая жидкости

· молекулярное давление под сферической поверхностью, вывод формулы Лапласа

· действие поверхностно-активных веществ

· газовая эмболия

- сформировать практические умения на базе теоретических знаний:

· определение силы отрыва с помощью торсионных весов

· умение работать с бюреткой

· расчёт коэффициента поверхностного натяжения по методу отрыва

· кольца и счета капель

- закрепление теоретических знаний и сформированных практических умений

-путем формулировки выводов и тренинга

- развитие и воспитание личности:

· обучение аккуратности и ответственности при определении коэффициента поверхностного натяжения

• Частнодидактическая, учебная цель занятия – научить определять коэффициент поверхностного натяжения дистиллированной воды и этилового спирта различными методами

- развитие и воспитание личности:

· обучение аккуратности и ответственности при выполнении практических заданий

Конкретные задачи

Студент должен знать:

молекулярное строение жидкостей, свойства поверхностного слоя жидкостей, капиллярные явления, влияние ПАВ на коэффициент поверхностного натяжения, явление газовой эмболии

Студент должен уметь:

· определять силу отрыва кольца с помощью торсионных весов

· определять число капель с помощью бюретки

вычислять коэффициент поверхностного натяжения жидкостей

Развивающая цель:

• способствовать развитию познавательных интересов, раскрывая природу явлений и способствовать формированию системного мышления

Воспитательная цель:

• способствовать формированию устойчивого стремления к получению знаний и пониманию высокой их значимости и практической ценности в дальнейшей профессиональной деятельности

Межпредметные и внутрипредметные связи

Задания для самоподготовки:

1 - Рассмотреть состояние поверхностного слоя жидкости и указать причину возникновения сил поверхностного натяжения

2- Представить расположение краевых углов для смачивающей и несмачивающей жидкостей

3- Выведите рабочие формулы для лабораторной работы

Литература, рекомендуемая для самоподготовки:

Основная

1 – «Медицинская и биологическая физика» 7-е изд., Ремизов А.Н. и др. Издательство Дрофа. 2007 (можно более ранние издания)

2 –«Биофизика» - Антонов В. Ф., и другие. Издательство: Владос. 2006

3– «Медицинская биофизика» Самойлов В.О.СПб:Издательство: СпецЛит Учебник для вузов - 2004.

4-« Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике: учебное пособие» Эссаулова И.А М: Высшая школа.1987

Дополнительная

Интернет - Электронная библиотека(можно скачать бесплатно):

1 - Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Academia, 2004— 520 с

Учебное пособие (9-е издание, переработанное и дополненное, — 2004 г.) состоит из семи частей, в которых изложены физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. Установлена логическая преемственность и связь между классической и современной физикой. Приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения.

2 - Биофизика Рубин А.Б. 1999. http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

- по базисным знаниям:

· молекулярное строение жидкостей

· свойства поверхностного слоя жидкости

· потенциальная энергия поверхностного слоя жидкости

- по данной теме:

· капиллярные явления

· параметры, влияющие на величину коэффициента поверхностного натяжения

· единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения

· смачивающие и несмачивающие жидкости

· молекулярное давление под сферической поверхностью

· формула Лапласа

· высота подъема жидкости в капилляре

· влияние поверхностно-активных веществ на коэффициент поверхностного натяжения

· газовая эмболия

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Обычные жидкости изотропны, структурно они являются аморфными телами. Для внутреннего строения жидкостей характерен ближайший порядок (упорядоченное относительное расположение

ближайших частиц). Расстояния между молекулами жидкости малы, силы взаимодействия значительны. Жидкости мало сжимаемы, обладают большой плотностью, принимают форму сосуда, в котором находятся.

Рассмотрим молекулу (1), находящуюся в объеме жидкости (рис.1),она испытывает, в основном, одинаковые силы притяжения

ко всем окружающим ее соседним молекулам. Молекула (2), находящаяся на поверхности, испытывает большее притяжение со стороны молекул, находящихся в объеме жидкости и меньшее вверху со стороны молекул пара. В результате на молекулу в поверхностном слое действует нескомпенсированная сила F. Переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой связан с необходимостью совершения работы против действующих в поверхностном слое сил.

Таким образом молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной потенциальной энергией, называемой поверхностной энергией. Из-за наличия поверхностной энергии жидкость обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности. Силы, действующие по касательной к поверхности и стремящиеся сократить площадь

свободной поверхности называются силами поверхностного натяжения.

Работа A, которую необходимо совершить для изотермического образования свободной поверхности пропорциональна площади свободной поверхности S:

(1)

- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом
поверхностного натяжения (поверхностным натяжением.

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе

которую необходимо совершить для изотермического образования единицы площади свободной поверхности.

Единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения в СИ:

Pис.2 Рис.3

Возьмем изогнутую в виде буквы П проволочную рамку и опустим в сосуд с жидкостью (рис. 2). Работа, которую необходимо совершить для образования пленки жидкости (имеющей 2 свободные поверхности (рис.3)) с одной стороны может быть рассчитана по формуле (1):

(2)

с другой стороны найдена по определению:

(3)

где F - сила поверхностного натяжения, - перемещение рамки.

Приравнивая правые части соотношений (2) и (3), получим:

, откуда следует, что

(4)

где - периметр смачивания - длина линии, перпендикулярно которой, действуют силы поверхностного натяжения, направленные по касательной к свободной поверхности.

Таким образом мы имеем два тождественных определения коэффициента поверхностного натяжения:

;

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, ее состояния ( в частности от температуры : с повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения линейно убывает).

Для уменьшения поверхностного натяжения жидкости к ней добавляют
специальные примеси (мыло, жирные кислоты), которые располагаются на поверхности и уменьшают поверхностную энергию.

Такие вещества называются поверхностно активными веществами ( ПАВ).

Давление под изогнутой поверхностью жидкости. Вывод формулы Лапласа.

Рассмотрим сферическую каплю жидкости (рис. 4). Оценим добавочное давление создаваемое силами поверхностного натяжения. По определению давления, с учетом соотношения (4):

, где -радиус капли, после сокращения имеем: (5) - это формула Лапласа.

В общем случае, для поверхности любой формы добавочное давление определяется соотношением:

(6)

Следует помнить, что радиусы кривизны и

поверхностей в формуле (6) алгебраи- Рис.4

ческие величины. Если центр кривизны

нормального сечения находится под свободной поверхностью (рис.5),

то r>0 (соответственно, добавочное давление ), Если над (рис.6),
то r<0 , .

Рис.5 Рис.6

Капиллярные явления, смачивающие и несмачивающие жидкости.
Подъем и опускание жидкости в капилляре

При рассмотрении явлений на границе раздела различных сред следует иметь в виду, что поверхностная энергия жидкости или твердого тела зависит не только от свойств данной жидкости или твердого тела, но и от свойств того вещества, с которым они граничат, т.е. нужно рассматривать суммарную поверхностную энергию 2-х граничащих друг с другом веществ. Если граничат между собой три вещества, то вся система принимает конфигурацию, соответствующую минимуму суммарной энергии.

Угол (тета), отсчитываемый между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости, внутри жидкости, называется краевым углом.

Жидкость смачивает твердое тело, если (рис.7), при

имеет место явление полного смачивания. При жидкости не смачивает твердое тело (рис.8) , при имеем полное несмачивание.

Рис. 7 Рис.8

Существование явлений смачивания и несмачивания приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости. В узкой трубке - капилляре искривленной оказывается любая поверхность. Такая поверхность называется мениском. Таким образом, капиллярные явления- это подъем или опускание жидкости в капилляре под действием добавочного давления.