《医用物理学》绪论课件

医医 用用 物物 理理 学学 医 用 物 理 学 绪绪 论论 Preface一一.物理学的研究对象物理学的研究对象*物理学：物理学：是研究物质世界的普遍性质和基本规律的科学。是研究物质世界的普遍性质和基本规律的科学。*物理学的研究对象：物理学的研究对象：机械运动、分子热运动、电磁运动、光学、机械运动、分子热运动、电磁运动、光学、原子与原子核及其内部运动等。原子与原子核及其内部运动等。*医学物理学：医学物理学：学习医学所必需的物理学基础知识。学习医学所必需的物理学基础知识。绪 论 Preface一.物理学的研究对物理学是生命科学的基础：物理学是生命科学的基础：*生理过程：生理过程：肌肉收缩、神经电传导、视觉调节、血肌肉收缩、神经电传导、视觉调节、血液循环、能量代谢、心电和脑电、细胞膜通道的物液循环、能量代谢、心电和脑电、细胞膜通道的物质输运、蛋白质的合成等。质输运、蛋白质的合成等。*生存环境：生存环境：大气电离层、电磁污染、放射线污染等。大气电离层、电磁污染、放射线污染等。*物理学与生命科学的交叉科学：物理学与生命科学的交叉科学：生物物理学、生物生物物理学、生物医学工程学、血液流动力学、超声医学、放射医学、医学工程学、血液流动力学、超声医学、放射医学、激光医学、医学影像物理学等。激光医学、医学影像物理学等。二二.物理学与医学的关系物理学与医学的关系物理学是生命科学的基础：*生理过程：肌肉收缩、神经电传导、视物理学为医学和医疗提供新的方法和技术：物理学为医学和医疗提供新的方法和技术：*显微镜：显微镜：光学显微镜光学显微镜-微生物组织、细胞形态等；微生物组织、细胞形态等；电子显微镜电子显微镜-细胞内结构、生物大分子等；细胞内结构、生物大分子等；*光学纤维内镜：光学纤维内镜：器官内壁组织形态等；器官内壁组织形态等；AhumanredbloodcellAsingle-celledbacteriaofthetype:E.coli器官内壁器官内壁物理学为医学和医疗提供新的方法和技术：*显微镜：光学显微镜*X*X射线：射线：X X光摄影、光摄影、X X光透视、光透视、X-CTX-CT、X X光子刀治疗肿瘤等；光子刀治疗肿瘤等；*激光：激光：眼科手术（例如：眼科手术（例如：准分子激光治疗准分子激光治疗近视近视）、溶栓术、美容等；）、溶栓术、美容等；*物理断层技术：物理断层技术：B B超、超、X-CTX-CT、ECTECT、核磁共振等；核磁共振等；*X射线：X光摄影、X光透视、X-CT、*激光：眼科手术（例注意几个问题：注意几个问题：1.1.学习中自学能力的培养；学习中自学能力的培养；2.2.重视实验重视实验;4.4.期评成绩：平时测验和实验占期评成绩：平时测验和实验占20%,20%,期考占期考占80%80%；5.5.下列情况者可在期评成绩中加下列情况者可在期评成绩中加1-51-5分：分：能写出较好的科普文章；能写出较好的科普文章；3.3.作好习题作好习题,老师随时抽查老师随时抽查;注意几个问题：1.学习中自学能力的培养；2.重视实验;4.期教学内容：教学内容：第一节第一节 理想流体理想流体 连续性方程连续性方程第二节第二节 伯努利方程伯努利方程第三节第三节 粘性流体的运动粘性流体的运动第四节第四节 泊肃叶定律泊肃叶定律第五节第五节 血流动力学与流变学基础血流动力学与流变学基础Chapter 1.The Motion of Fluid第一章第一章 流体的运动流体的运动*流体静力学流体静力学(hydrostatics)：*流体流体（fluid）：气体和液体都具有流动性，统称为流体。气体和液体都具有流动性，统称为流体。研究静止流体规律研究静止流体规律.*流流体体动动力力学学(fluid dynamics)：*人体中的流体运动现象：血液流动，呼吸气体运动等。人体中的流体运动现象：血液流动，呼吸气体运动等。研究流体运动研究流体运动.教学内容：Chapter 1.The Motion o一、流体运动的研究方法一、流体运动的研究方法 ：1.1.两种研究方法两种研究方法 (1).Lagrange(1).Lagrange（拉格朗日）方法拉格朗日）方法 ：将流体视为无限小的质元组成，用牛顿定律研将流体视为无限小的质元组成，用牛顿定律研 究各质元的运动状态随时间的变化规律。究各质元的运动状态随时间的变化规律。(2).Euler(2).Euler（欧拉）方法欧拉）方法 ：着眼于流体流经的空间点，研究各空间点处流着眼于流体流经的空间点，研究各空间点处流 体质元的速度分布及其随时间的变化规律。体质元的速度分布及其随时间的变化规律。第一节第一节 理想流体理想流体 连续性方程连续性方程一、流体运动的研究方法：第一节 理想流体 连续性方程(2).(2).没有内摩擦力没有内摩擦力 (no internal friction)no internal friction)(1).(1).绝对不可压缩绝对不可压缩(incompressibility)incompressibility)1000atmwater VV V/V=5%(或或:完全没有粘性完全没有粘性)2.2.理想流体理想流体(ideal fluid)ideal fluid)模型特征模型特征:（2 2）流线流线（streamlinestreamline）：在任一瞬间，）：在任一瞬间，可在流体中划这样一些线，使这些线上各可在流体中划这样一些线，使这些线上各点的切线方向和流体质元在该点的速度方点的切线方向和流体质元在该点的速度方向相同，这些线叫做这一时刻的流线。向相同，这些线叫做这一时刻的流线。（1 1）流流速速场场（field field of of flowflow）:在在流流体体所所占占据据的的空空间间每每一一点上点上,流经该点的质元均具有流速。这一空间称为流速场。流经该点的质元均具有流速。这一空间称为流速场。圆圆 柱柱机机 翼翼3.3.流速场、流线、流管流速场、流线、流管(2).没有内摩擦力(no internal fricti（3 3）流流管管（tube tube of of flowflow）：流流体体中中通通过过某某小小截截面面积积周周边各点的流线所组成的管状物。边各点的流线所组成的管状物。*定常流动（即稳定流动）中流线形状和流管形状不随定常流动（即稳定流动）中流线形状和流管形状不随时间变化；时间变化；*流线不相交；流线不相交；（3）流管（tube of flow）：流体中通过某小截面二二.定常流动：定常流动：ABCvAvBvC定定常常流流动动（steady steady flowflow）：流流体体中中流流线线上上各各点点的的速速度度都都不随时间而变。不随时间而变。流场流场 一般情况下，在流一般情况下，在流体流动过程中的任意时体流动过程中的任意时刻，流体所占据的空间刻，流体所占据的空间任意点的流速为：任意点的流速为：若流速分布不随时间若流速分布不随时间变化，即为定常流动：变化，即为定常流动：（1 1）流线形状不变；（）流线形状不变；（2 2）流线就是流体粒子运动的轨迹。）流线就是流体粒子运动的轨迹。二.定常流动：ABCvAvBvC定常流动（steady fl医用物理学绪论课件设截面积设截面积S S1 1处的流速和密度分别为处的流速和密度分别为 1 1和和1 1 S1S2112 截面积截面积S S2 2处的流速和密度分别为处的流速和密度分别为 2 2和和2 22在短时间在短时间tt（t0t0）内，内，1t2tm2=2(2t)S2=2S2 2t通过截面通过截面S S2 2的流体质量：的流体质量：m1=1(1t)S1=1S1 1t设流动为定常流动：设流动为定常流动：通过截面通过截面S S1 1的流体质量：的流体质量：三三.连续性方程连续性方程设截面积S1处的流速和密度分别为1和1 S1S211连连续续性性方方程程（equation equation of of continuitycontinuity）：在在定定常常流流动动中中，同同一一流流管管的的任任一一截截面面处处的的流流体体密密度度、流流速速和和该该截截面面积的乘积为一常量。面面积的乘积为一常量。1 1S S1 1 1 1=2 2S S2 2 2 2 或或 SS=常量常量 对于不可压缩流体对于不可压缩流体，即，即1 1=2 2对定常流动：对定常流动：m m1 1=m=m2 2则有则有即：即：S S与与 成反比；成反比；S S1 1 1 1 =S S2 2 2 2 或或 S S=常常量量连续性方程（equation of continuity）：1 1S S1 1 1 1=2 2S S2 2 2 2 或或 SS =常量常量 S S1 1 1 1=S=S2 2 2 2 或或 S S =常量常量连续性方程连续性方程（equation of continuityequation of continuity）：体体积积流流量量（S S）守守恒恒：单单位位时时间间内内通通过过任任一一横横截截面面的的流体体积（单位为流体体积（单位为 m3/sm3/s）相等。相等。质质量量流流量量（SS）守守恒恒：单单位位时时间间内内通通过过任任一一横横截截面面的的流体质量（单位为流体质量（单位为 kg/skg/s）相等。相等。体积流量（体积流量（S S）简称流量（简称流量（Q Q）1S11=2S22 或 S=常量连续性方程（第二节第二节 伯努利方程伯努利方程XY*研究对象：研究对象：作定常流动的作定常流动的XYXY段理想流体。段理想流体。*研究系统：研究系统：流管流管+地球。地球。在在t t内，内，XYXY段流体移动到段流体移动到XYXY段；段；XY一.伯努利方程的推导：伯努利方程的推导：第二节 伯努利方程XY*研究对象：作定常流动的XY段理想流体设y处：S2、2、F2、h2；在短时间在短时间tt（t0t0）内，流体内，流体XYXY移至移至xyxy设x处：S1、1、F1、h1；A=FA=F1 1 1 1t-Ft-F2 2 2 2t=Pt=P1 1S S1 1 1 1t-Pt-P2 2S S2 2 2 2tt=(P1-P2)V(S S1 1 1 1t=St=S2 2 2 2t=V)t=V)xF11h1S1yS22F2h2xy1t2t外力作功外力作功A A：P1P2根据功能原理推导方程：根据功能原理推导方程：动能的增量：动能的增量：在短时间在短时间tt（t0t0）内，内，势能的增量：势能的增量：机械能增量机械能增量:设y处：S2、2、F2、h2；在短时间t（t0）内，根据功能关系根据功能关系:以以V V除各项，整理得除各项，整理得:或或伯努利方程（伯努利方程（Bernoulli equationBernoulli equation）：伯努利方程只适用于理想流体的定常流动。伯努利方程只适用于理想流体的定常流动。根据功能关系:以V除各项，整理得:或伯努利方程（Bernou单位体积流体的动能单位体积流体的动能 动压强动压强单位体积流体的重力势能单位体积流体的重力势能静压强静压强单位体积流体的压强能单位体积流体的压强能 理理想想流流体体在在流流管管中中作作定定常常流流动动时时，任任一一截截面面处处单单位位体体积积流流体体的的动动能能、重重力力势势能能以以及及该该处处的的压压强强三三项项之之和和保保持持不不变。变。对同一流管：对同一流管：单位体积流体的动能 动压强单位体积流体的重力势能静压强单二二.伯努利方程的应用伯努利方程的应用1.1.水平管中压强和流速的关系水平管中压强和流速的关系:若流体在水平管中流动，若流体在水平管中流动，h h1 1=h=h2 2，则则:即在水平管中流动的流体，即在水平管中流动的流体，流速小的地方压强较大，流速小的地方压强较大，流速大的地方压强较小。流速大的地方压强较小。AB喷雾器喷雾器水流抽气机水流抽气机应用：应用：负压引流负压引流（空吸作用）（空吸作用）二.伯努利方程的应用1.水平管中压强和流速的关系:若流体在医用物理学绪论课件汾丘里汾丘里流量计流量计S S1 1S S2 2hh流体的流量：流体的流量：P2P11汾丘里流量计S1S2h流体的流量：P2P112.2.均匀管中压强与高度的关系均匀管中压强与高度的关系:即高处的压强较小，低处的压强较大。即高处的压强较小，低处的压强较大。当当v v1 1=v=v2 2 时或流动缓慢时或流动缓慢(v v=0)=0)时，时，人体位对其血压的影响人体位对其血压的影响:2.均匀管中压强与高度的关系:即高处的压强较小，低处的压强较3.3.两端等压的管中流速与高度的关系两端等压的管中流速与高度的关系当流管两端处于相同压强时，当流管两端处于相同压强时，理理想想流流体体在在两两端端等等压压的的管管中中作作定定常常流流动动时时，高高端端处处的的流流速速小小，而而低端处的流速大低端处的流速大。实例实例:小孔流速小孔流速3.两端等压的管中流速与高度的关系当流管两端处于相同压强时，速度梯度速度梯度：表示表示A A点速度沿点速度沿z z方向的变化率。方向的变化率。z一一.牛顿粘性定律牛顿粘性定律A相相邻邻流流层层间间的的切切向向相相互互作作用用力力，或称粘性力。或称粘性力。内摩擦力内摩擦力F:F:第三节第三节 粘性流体的流动粘性流体的流动牛顿粘性定律牛顿粘性定律:牛顿流体牛顿流体:水、酒精、血浆等。水、酒精、血浆等。非牛顿流体：血液、沥青、溶胶、软膏等。非牛顿流体：血液、沥青、溶胶、软膏等。速度梯度：表示A点速度沿z方向的变化率。z一.牛顿粘性定律几种流体的粘度几种流体的粘度:表表2-12-1 液体液体 粘度粘度（PaPas s）水水00 1.8010 1.8010-3-3水水3737 0.6910 0.6910-3-3水水100 100 0.3010 0.3010-3-3水银水银00 1.6910 1.6910-3-3水银水银2020 1.5510 1.5510-3-3水银水银100 100 1.0010 1.0010-3-3血液血液3737 2.0-4.010 2.0-4.010-3-3血浆血浆3737 1.0-1.410 1.0-1.410-3-3血清血清3737 0.9-1.210 0.9-1.210-3-3血液粘度血液粘度 吸烟、喝酒、油脂等。吸烟、喝酒、油脂等。粘度粘度：表示流体粘性的强弱。：表示流体粘性的强弱。几种流体的粘度:表2-1 液体 粘度（P、层流、层流（laminar flow）和湍流和湍流(turbulent flow)层流层流:流体的分层流动。流体的分层流动。无色甘油无色甘油有色甘油有色甘油二、层流与湍流雷诺数二、层流与湍流雷诺数粘性流体层流的速度分布：粘性流体层流的速度分布：轴线处流速最大；轴线处流速最大；管壁处流速最小。管壁处流速最小。湍流湍流:流体的流动杂乱而不稳定。流体的流动杂乱而不稳定。、层流（laminar flow）和湍流(turbulenR Re e1000 000000时，流体作湍流；时，流体作湍流；10001000R Re e 000000时，流体流动不稳定时，流体流动不稳定雷诺数雷诺数（Reynold number)（无单位）（无单位）由雷诺数判断流动类型：由雷诺数判断流动类型：层流：较粗较直的动脉血管中的血流；层流：较粗较直的动脉血管中的血流；湍流：血管弯曲和分叉处的血流；湍流：血管弯曲和分叉处的血流；血液通过心脏瓣膜时发出声音；血液通过心脏瓣膜时发出声音；听诊器听诊听诊器听诊,血压计测血压。血压计测血压。人体中的血液流动：人体中的血液流动：Re1000时，流体作层流；雷诺数（Reynold num腕环血压计有一条可以环绕在手臂、且能充气的长形橡腕环血压计有一条可以环绕在手臂、且能充气的长形橡皮袋，橡皮袋一端接到打气橡皮球上，另一端接到水银测压皮袋，橡皮袋一端接到打气橡皮球上，另一端接到水银测压器或其他测压器装置上。测压时，将橡皮袋环绕缚于上臂，器或其他测压器装置上。测压时，将橡皮袋环绕缚于上臂，然后徐徐将空气打入橡皮袋，压力升高到一定程度时，肱动然后徐徐将空气打入橡皮袋，压力升高到一定程度时，肱动脉被压扁，造成血液停止。脉被压扁，造成血液停止。血压计测血压的原理血压计测血压的原理 然后再慢慢放气，当橡皮袋压力然后再慢慢放气，当橡皮袋压力低于心脏收缩排出血液时产生的动脉低于心脏收缩排出血液时产生的动脉压时，血液便开始恢复，用压时，血液便开始恢复，用听诊器可听诊器可听到脉搏跳动听到脉搏跳动，此时水银柱显示出来，此时水银柱显示出来的压力即为的压力即为收缩压收缩压。当压力继续减少。当压力继续减少到心脏舒张时，不能阻碍血液畅通，到心脏舒张时，不能阻碍血液畅通，此压即为此压即为舒张压舒张压。收缩压和舒张压是。收缩压和舒张压是医生用来判断循环系统疾病的依据。医生用来判断循环系统疾病的依据。腕环血压计有一条可以环绕在手臂、且能充气的长形橡皮袋，橡 液体在粗细均匀的水平管中作层流时，沿液流方向，液体在粗细均匀的水平管中作层流时，沿液流方向，液体的压强是逐渐降低的：液体的压强是逐渐降低的：原原因因：内内摩摩擦擦力力作作功功引引起起能能量量损损耗。耗。结论：结论：粘性流体流动需要一定的压强差来维持。粘性流体流动需要一定的压强差来维持。此时有：此时有：三、粘性流体的伯努利方程三、粘性流体的伯努利方程 液体在粗细均匀的水平管中作层流时，沿液流方向，液体的压Rr-r-球体的半径；球体的半径；v-v-球体相对流体的速度；球体相对流体的速度；-流体的粘度。流体的粘度。vvF斯托克司定律：斯托克司定律：相相对对流流体体运运动动的的球球体体，其其表表面面附附着着的的一一层层流流体体与与周围流体间存在着摩擦力周围流体间存在着摩擦力,即为球体受到的粘性阻力即为球体受到的粘性阻力:四、斯托克司定律（四、斯托克司定律（stokeslawstokeslaw）Rr-球体的半径；v-球体相对流体的速度；-流体的粘度。vr rF FW W f f 重力：浮力：阻力：平衡时即(或称沉降速度或称沉降速度)球体在粘性流体中下落时的收尾速度：球体在粘性流体中下落时的收尾速度：（分层沉淀）（分层沉淀）主要影响收尾速度的因数：主要影响收尾速度的因数：rFWf 重力：浮力：阻力：平衡时即(或称沉降速度粒子粒子0 0离心分离离心分离-从悬浮液中快速从悬浮液中快速分离微粒的原理。分离微粒的原理。用用代替代替应用：离心机应用：离心机 加快离心机的转速可以使加快离心机的转速可以使 2 2大于大于g g几十几十万倍。离心加速度经常用重力加速度的倍数万倍。离心加速度经常用重力加速度的倍数来表示，以此表明离心机离心能力的大小，来表示，以此表明离心机离心能力的大小，超速离心机的加速度可达超速离心机的加速度可达5105105 5g g。粒子0离心分离-从悬浮液中快速分离微粒的原理。用代替P P1 1P P2 2定常流动时：定常流动时：RrFf第四节第四节 泊肃叶定律泊肃叶定律 (Poiseuille law)流体在圆管中层流时的速度分布：流体在圆管中层流时的速度分布：内摩擦力：内摩擦力：压力差：压力差：对圆管中某一对圆管中某一环行流层环行流层:v s rP1P2定常流动时：RrFf第四节 泊肃叶定律 (PoQ-Q-体积流量；体积流量；-流体的粘度；流体的粘度；L-L-管的长度；管的长度；R-R-管的管的内半径；内半径；P=PP=P1 1-P-P2 2 管两端的压强差；管两端的压强差；R RL LP P1 1P P2 2Q Q牛顿流体在水平均匀圆管中层流时的流量：牛顿流体在水平均匀圆管中层流时的流量：流阻流阻(flow resistance):flow resistance):泊肃叶定律另一表式泊肃叶定律另一表式:（流阻的串联与并联）（流阻的串联与并联）Q-体积流量；-流体的粘度；L-管的长度；R-管的内第五节血流动力学与流变学基础：第五节血流动力学与流变学基础：血液循环血液循环:体循环体循环/大循环大循环肺循环肺循环/小循环小循环一一.心血管系统：心血管系统：指血液流向外周血管所遇到的阻力。指血液流向外周血管所遇到的阻力。第五节血流动力学与流变学基础：血液循环:一.心血管系统：指血二二.血管中流速与截面之间的关系血管中流速与截面之间的关系cmcm2 2cm/scm/s左心室左心室右心房右心房毛细血管网毛细血管网动脉动脉静脉静脉二.血管中流速与截面之间的关系cm2cm/s左心室右心房毛细三三.血流过程中的血压分布血流过程中的血压分布0The pressure variation in the blood as it moves through the circulatory system.三.血流过程中的血压分布0The pressure vari