1、物理学教研室,主 讲：张秀梅,(共78学时，其中理论54学时，实验24学时),电话: 81340210地址： 16栋807室E-mail: , 医 用 物 理 学 ,绪 论 Preface,一. 物理学的研究对象,* 物理学：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：,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。,*医学物理学：学习医学所必需的物理学基础知识。,物理学是生命科学的基础：,*生理过程：肌肉收缩、神经电传导、视觉调节、血液循环、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。,*生存环境：大气电离层、电磁污染、放射线污染等。
2、,*物理学与生命科学的交叉科学：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、激光医学、医学影像物理学等。,二. 物理学与医学的关系,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-微生物组织、细胞形态等； 电子显微镜-细胞内结构、生物大分子等；,*光学纤维内镜： 器官内壁组织形态等；,器官内壁,*X射线：X光摄影、X光透视、X-CT、 X光子刀治疗肿瘤等；,*激光：眼科手术（例如：准分子激光治疗 近视）、溶栓术、美容等；,*物理断层技术：B超、X-CT、ECT、核磁共振等；,注意几个问题：,1.学习中自学能力的培养；,2.重视实验;,4.期评成绩：平时作业和实
3、验占30%, 期考占70%；,3.认真完成作业;,物 理 实 验 课,教学内容：第一节 理想流体的定常流动第二节 伯努利方程第三节 粘性流体的流动第四节 血液的流动,Chapter 2. The Motion of Fluid,第2章 流体的运动,* 流体静力学(hydrostatics)：,* 流体（fluid）：,气体和液体都具有流动性，统称为流体。,研究静止流体规律.,* 流体动力学(fluid dynamics) ：,*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.,1.流体运动的两种研究方法 (1).Lagrange（拉格朗日）方法 ： 将流体视为无限小的质元组成，
4、用牛顿定律研 究各质元的运动状态随时间的变化规律。 (2).Euler（欧拉）方法 ： 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。,第一节 理想流体的定常流动,一、理想流体,(2).没有内摩擦力 (no internal friction),(1).绝对不可压缩(incompressibility),1000atm,water,V,V,V/V=5%,(或:完全没有粘性),2.理想流体(ideal fluid)模型特征:,（2）流线（streamline）：在任一瞬间，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向相同，这些线叫做
5、这一时刻的流线。,（1）流速场（field of flow）:在流体所占据的空间每一点上,流经该点的质元均具有流速。这一空间称为流速场。,3.流速场、流线、流管,（3）稳定流动（steady flow）,A,B,C,vA,vB,vC,稳定流动：流体中流线上各点的速度都不随时间而变。,流场,一般情况下，在流体流动过程中的任意时刻，流体所占据的空间任意点的流速为：,（1）流线形状不变；（2）流线就是流体粒子运动的轨迹。,若流速分布不随时间变化，即为稳定流动：,定常流动,（4）流管（ tube of flow）：流体中通过某小截面积周边各点的流线所组成的管状区域。,*稳定流动中流线形状和流管形状不随
6、时间变化；*流线不相交；,设截面积S1处的流速和密度分别为1和1,S1,S2,1,1,2,截面积S2处的流速和密度分别为2和2,2,在短时间t（t0）内，,1t,2t,m2=2(2t)S2=2S22t,通过截面S2的流体质量：,m1=1(1t)S1=1S11t,设流动为稳定流动：,通过截面S1的流体质量：,二. 连续性方程,连续性方程（equation of continuity）：在稳定流动中，同一流管的任一截面处的流体密度、流速和该截面面积的乘积为一常量。,1S11 =2S22 或 S=常量,对于不可压缩流体作稳定流动时， 即1 =2,对稳定流动：m1= m2,则有,即： S与成反比；,S
7、11 = S22 或 S=常量,1S11 =2S22 或 S =常量 S11 = S2 2 或 S =常量,连续性方程（equation of continuity）：,体积流量（S）守恒：单位时间内通过任一横截面的流体体积（单位为 m3/s）相等。,质量流量（S）守恒：单位时间内通过任一横截面的流体质量（单位为 kg/s）相等。,体积流量（S）简称流量（Q）,问题1：人体动脉血管和毛细血管内血液流动的速度大小的关系,校园南门,问题2： 4个直径相同的小管并联后与1个大管串联，两种管子的直径比为2:1，若水在大管中的流速为1m.s-1,那么在小管重的流速是多少？,解：,第二节 伯努利方程及其应
8、用 （Bernoulli equation）,X,Y,*研究对象：作稳定流动的XY段理想流体。,在t内，XY段流体移动到XY段；,X,Y,一.伯努利方程的推导：,设y处：S2、2、F2、h2；,在短时间t（t0）内，流体XY移至xy,设x处：S1、1、F1、h1；,A= F11t- F22t= P1S1 1t- P2S22t =(P1 -P2 )V,(S11t = S2 2t =V),x,F1,1,h1,S1,y,S2,2,F2,h2,x,y,1t,2t,外力作功A：,P1,P2,根据功能原理推导方程：,动能的增量：,在短时间t（t0）内，,势能的增量：,机械能增量:,根据功能关系:,以V除各
9、项，整理得:,或,伯努利方程（Bernoulli equation）：,伯努利方程只适用于理想流体的稳定流动。,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,单位体积流体的压强能,理想流体在流管中作稳定流动时，任一截面处单位体积流体的动能、重力势能以及该处的压强三项之和保持不变。,对同一流管：,应用方程式解题注意： (1)选取截面 选取截面时应考虑到柏努利方程式是流体输送系统在连续、稳定的范围内，对任意两截面列出的能量恒算式，首先要正确选定。 在连续稳定的范围内，任意两个截面均可选用。起点和终点的已知条件多，为计算方便，截面常取在输送系统的起点和终点的相应侧截面。两截面均应与流动
10、方向相垂直。,(2)确定基准面 基准面是用以衡量位能大小的基准。为简化计算，通常取相应于所选定截面之中较低的一个水平面为基准,h2值等于两截面之间的垂直距离。,【例3-1】设有流量为0.12m3s-1的水流过下图细管。,已知P1=200kPa, S1=100cm2,S2=60cm2,水的黏性忽略不计，求1、2两点的流速和2点的压强,解略,问题1：注射器水平放置，它的活塞直径为4厘米，以60N的水平力（设力均匀作用于活塞左端面）非常缓慢地匀速（速度大小接近零）推动活塞，求针孔B处水的流速。, hA= hB= 0， PB=P0， vA0,问题2：水从10m高处（此处管的半径为4m）沿一水管流下，管
11、下端开口处的半径为2m，已知水以8m/s从下端流出，求10米高处水的流速和压强。(已知大气压为 ）,问题3：水在粗细不均匀的管中做定常流动，出口处的截面积为10cm2，流速为2ms-1，另一细处的截面积为2cm2，细处比出口处高0.1m设大气压强为1.05Pa，若不考虑水的黏性，(1)求细处的流速和压强；(2)若在细处开一小孔，水会流出来吗？,机翼升力,空气看作理想气体:,赛车负升力,车体下方空气被快速抽空，压小，抓地力强。,足球中的“香蕉球”、乒乓球中的“削球”。,二. 伯努利方程的应用,1.水平管中压强和流速的关系:,若流体在水平管中流动，h1=h2，则:,即在水平管中流动的流体， 流速小
12、的地方压强较大， 流速大的地方压强较小。,Q=sv = 常量,S小，则p小,v 小 P 大，v 大 P 小，, SA SB，vA vB PB S2 、v1v2 v1 0,流速计（皮托管）,液体在粗细均匀的水平管流动, a处插入直管, c的截面与流线平行, b处插入一根直角弯管, d的截面垂直并通向流线, c与d同一流线上。,流速计（皮托管）,(1)测液体流速皮托管,(2)测气体流速皮托管,也可理解为：,3.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。,当v1= v2 时或流动缓慢(v =0)时，,人体位对其血压的影响:,一、层流（laminar flow）和湍流(turbul
13、ent flow),层流: 流体的分层流动。,无色甘油,有色甘油,粘性流体层流的速度分布：轴线处流速最大；管壁处流速最小。,湍流:流体的流动杂乱而不稳定。,第三节 黏性流体的流动,实验现象,湍流,过渡流,层流,雷诺（O.Reynolds，18421912）,英国力学家、理学家和工程师,Re1500时，流体作湍流； （过渡流动）1000Re1500时，流体流动不稳定,二、雷诺数（Reynold number),（无单位）,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；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； 听诊器听诊,血压计测血压。,人体中的血液流动：,速度梯度
14、：,表示A点速度沿z方向的变化率。,z,三、牛顿粘性定律,A,相邻流层间的切向相互作用力，或称粘性力。,内摩擦力F:,第三节 粘性流体的流动,牛顿粘性定律:,牛顿流体: 水、酒精、血浆等。,非牛顿流体：血液、沥青、溶胶、软膏等。,黏度,由液体本身的性质决定,与液体的温度有关，T，单位：SI：帕秒 cgs：泊1帕秒10泊,几种流体的粘度:,表2-1,液体 粘度（Pas）,水0 1.8010-3水37 0.6910-3水100 0.3010-3水银0 1.6910-3水银20 1.5510-3水银100 1.0010-3血液37 2.0-4.010-3血浆37 1.0-1.410-3血清37 0.
15、9-1.210-3,血液粘度 吸烟、喝酒、油脂等。,粘度：表示流体粘性的强弱。,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，肱动脉被压扁，造成血液停止。,血压计测血压的原理,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压时，血液便开始恢复，用听诊器可听到脉搏跳动，此时水银柱显示出来的压力即为收缩压。当压力继续减少到心脏舒张时，不能阻碍血液畅通，此压即为舒张压。收缩压和舒张压是医生用来判断循环系统疾病的依据。,液体在粗细均匀的
16、水平管中作层流时，沿液流方向，液体的压强是逐渐降低的：,原因：内摩擦力作功引起能量损耗。,结论：粘性流体流动需要一定的压强差来维持。,此时有：,一、黏性流体的伯努利方程,第四节 粘性流体的伯努利方程,二、 泊肃叶定律（Poiseuille，S law),法国生理学家(1799-1869),v s r,P1,P2,稳定流动时：,R,r,流体在圆管中层流时的速度分布：,内摩擦力：,压力差：,对水平放置截面均匀圆管中某一环行流层:,中心(r =0),管壁(r =R),试计算流体在流管的什么位置流速最大和最小？,R,L,P1,P2,Q,牛顿流体在水平均匀圆管中层流时的流量：,人体的血管可以伸缩，在众多
17、因素中,管径的变化对血流量影响最大。,Q-体积流量；-流体的粘度；L-管的长度；R-管的内半径；P=P1-P2 管两端的压强差；,R,L,P1,P2,Q,牛顿流体在水平均匀圆管中层流时的流量：,流阻(flow resistance) :,泊肃叶定律另一表式:,问题： 某段微血管的直径受神经控制而缩小了一半，如果其他条件不变，则通过它的血流量将变为原来的A. 1/16 B1/8 C1/4 D. 1/2,A. 1/16,当多个等截面水平管串联或并联时，其总流阻分别为： 串联 并联,例题: 成年人主动脉的半径约为1.3102 m，求在一段0.2m 长的血管中，流阻和血压降为多少？（设血流量Q=1.0
18、104 m3s1，= 3.0103 Pas）,在主动脉中，血压的下降微不足道。,解,对于粘性流体而言：,泊肃叶定律：,借鉴力量流体：,作业2-8题,斯托克斯（George GabrieI Stokes。18191903）是英国的数学家、力学家、物理学家。剑桥大学卢卡斯讲座教授。英国皇家学会会员,学会秘书,学会主席。他是继牛顿之后担任过这三个职务的第二人。,三、斯托克司定律（stokeslaw）,R,r-球体的半径；v-球体相对流体的速度；-流体的粘度。,v,v,F,斯托克司定律：,相对流体运动的球体，其表面附着的一层流体与周围流体间存在着摩擦力,即为球体受到的粘性阻力:,三、斯托克司定律（st
19、okeslaw）,连续介质,r,F,W,f,重力：,浮力：,阻力：,平衡时,即,(或称沉降速度),球体在粘性流体中下落时的收尾速度：,主要影响收尾速度的因数：,广口烧杯,离心分离-从悬浮液中快速分离微粒的原理。,应用：离心机,加快离心机的转速可以使2大于g几十万倍。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，超速离心机的加速度可达5105g。,最高转速:12000rpm(每分钟转数）最大相对离心力：14800g转子容量:24根毛细管:36根毛细管,毛细管血液离心机,应用： 测黏度、半径。密立根油滴实验测电子电量、量子化。,密立根油滴实验：,1）U=0,达到收尾速度时，
20、有：,R,m,2）调节U0,使油滴静止，有：,多次实验统计获得,因R油滴R空气，空气为不连续介质，要修正，,医学应用： 混悬液型药剂，增加液体媒质的密度、黏度，减小药物颗粒的半径，以提高药物的稳定性。,* 血液在循环系统中的流动 *,血液循环:体循环/大循环肺循环/小循环,一.心血管系统：,指血液流向外周血管所遇到的阻力。,二.血管中流速与截面之间的关系,cm2,cm/s,左心室,右心房,毛细血管网,动脉,静脉,问题：血液在血管中流动时血细胞会有什么特点？,血细胞的轴向集中,三.血流过程中的血压分布,0,The pressure variation in the blood as it moves through the circulatory system.,r,伯努利方程,连续性方程,小结,理想流体,实际液体,层流,湍流,
