ФИЗИКА. Вопросы по дисциплине Общая физики и биофизика
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
Физические характеристики звука 1. Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т): Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма. 2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде Рис. 3.2. Изменение давления в среде при распространении звука. Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений. Звуковое давление (ΔΡ) — это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны. 3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии. Интенсивность звука — это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной (см. формулу 2.5). В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина. Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ΔΡ) выражается следующей формулой: где ρ - плотность среды; v - скорость звука в ней. Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости. Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу слышимости соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ 0 ) и интенсивности звука (I 0 ): ΔΡ 0 = 3х10 -5 Па (≈ 2х10 -7 мм рт.ст.); I 0 = 10 -12 Вт/м 2 Значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают выраженные болевые ощущения, называются порогом болевого ощущения. Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу болевого ощущения соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ m ) и интенсивности звука (I m ): 4. Уровень интенсивности (L). Отношение интенсивностей, соответствующих порогам слышимости и болевого ощущения, столь велико (I m /I 0 = 10 13 ), что на практике используют логарифмическую шкалу, вводя специальную безразмерную характеристику - уровень интенсивности. Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости: Единицей измерения уровня интенсивности является бел (Б). Обычно используют более мелкую единицу уровня интенсивности - децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах вычисляется по следующим формулам: Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 10 дБ. Характеристики часто встречающихся звуков приведены в табл. 3.1. Если человек слышит звуки, приходящие с одного направления от нескольких некогерентных источников, то их интенсивности складываются: Высокий уровень интенсивности звука приводит к необратимым изменениям в слуховом аппарате. Так, звук в 160 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки и смещение слуховых косточек в среднем ухе, что приводит к необратимой глухоте. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное действие шума в 90-120 дБ приводит к поражению слухового нерва. 16. Что такое простой тон, сложный тон, шум? Тоном называется звук, который представляет колебание с постоянной или закономерно изменяющейся по времени частотой. В зависимости от формы колебания частиц среды тоны разделяются на простые (гармонические) и сложные. Сложный тон может быть разложен на простые, получающийся набор частот с амплитудами называется акустическим спектром. Спектр сложного тона линейчатый. Простой тон может быть получен с помощью камертона или звукового генератора. К сложным относятся звуки музыкальных инструментов, гласные звуки речи человека и др. Звуковой тон характеризуется частотой (или периодом), амплитудой и формой колебания или его гармоническим спектром, а также величинами, относящимися к звуковой волне: интенсивностью, или силой звука, и звуковым давлением. Шумом называют звук, отличающийся сложной, неповторяющейся временной зависимостью. 17. Перечислите характеристики звукового ощущения и укажите их связь с физическими характеристиками звука. В слуховом ощущении различают высоту, громкость и тембр звука. Эти характеристики слухового ощущения связаны с частотой, интенсивностью и гармоническим спектром - объективными характеристиками звуковой волны. Задачей системы звуковых измерений является установить эту связь и таким образом дать возможность при исследовании слуха у различных людей единообразно сопоставлять субъективную оценку слухового ощущения с данными объективных измерений. Высота звука — субъективная характеристика, определяемая частотой его основного тона: чем больше частота, тем выше звук. В значительно меньшей степени высота зависит от интенсивности волны: на одной и той же частоте более сильный звук воспринимается более низким. Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом. Например, ухо различает одну и ту же ноту, воспроизведенную на разных музыкальных инструментах. Одинаковые по основным частотам звуки речи у различных людей также отличаются по тембру. Итак, тембр — это качественная характеристика слухового ощущения, в основном обусловленная гармоническим спектром звука. Громкость звука Е — это уровень слухового ощущения над его порогом. Она зависит, прежде всего, от интенсивности I звука. Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников. 18. Что такое порог слышимости, порог болевого ощущения? Порог слышимости – Величина звукового давления, которая едва заметна на слух при отсутствии всяких других мешающих шумов и звуков или кратко минимальное значение силы звука вызывающее появление ощущений. Порог болевого ощущения — это величина интенсивности звуковой волны, при которой в ухе возникает ощущение боли. Болевым ощущением часто определяют верхнюю границу динамического диапазона слышимости человека. 19. Укажите единицы измерения уровня интенсивности и громкости звука. Единицы измерения уровня интенсивности звука: Бел (большая единица) и дБ (более маленькая единица): 1дБ = 0,5 Б Громкость звука измеряют в дБ. 20. Что называется аудиометрией? Что представляет собой аудиограмма? Аудиометрия (от лат. audīre - "слышать" и metria - “измерять") - раздел аудиологии и наука об измерении остроты слуха при изменении интенсивности и высоты звука, а также чистоты тонов, включающая пороговые значения и различные частоты. Как правило, аудиометрические тесты определяют уровень слуха субъекта с помощью аудиометра, но могут также измерять способность различать различные интенсивности звука, распознавать высоту тона или отличать речь от фонового. Аудиограмма — это график, который показывает слышимый порог для стандартизированных частот, измеренный аудиометром. Ось Y представляет интенсивность, измеренную в децибелах, а ось X представляет частоту, измеренную в герцах. Порог слуха строится относительно стандартизированной кривой, представляющей "нормальный" слух, в дБ (HL). Аудиограмму получают после проведения аудиометрии. Это исследование применяется для диагностики различных нарушений слуха. После его завершения, полученные данные наносятся на график, который и называется аудиограммой. Она состоит из двух осей, одна из которых соответствует частоте звука в герцах (Гц), а вторая – громкости в децибелах (дБ). Аудиограмма позволяет врачу оценить воздушную и костную проводимость звука и определить характер и степень потери слуха у пациента. 21. Что называется ультразвуком? Особенности распространения ультразвуковых волн. Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело. Основные параметры ультразвука Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов, совершенных за одну секунду, называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое, чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле: , где f – частота, Гц, T – период, с Особенности распространения ультразвуковых волн. 1. Имеет высокую частоту, то есть малую длину волны. Потому мало подвергается дифракции, а, следовательно, способен распространяться узкими и направленными пучками. 2. Интенсивность УЗ может быть увеличена специальными акустическими линзами. 3. На границе между средами часть УЗ волны отражается. Коэффициент отражения УЗ зависит от соотношения акустических импедансов (сопротивлений) сред. 4. Часть УЗ волн проходит во вторую среду, частично поглощается в ней, и выходит наружу. 22. Что называется прямым пьезоэффектом? Что называется обратным пьезоэффектом? Прямой пьезоэффект — это явление возникновения электрической поляризации в условиях определенной деформации образца диэлектрика. Обратный пьезоэффект — возникновение механической деформации при приложении внешнего электрического поля. 23. Сформулируйте закон поглощения ультразвука в веществе. Зако́н Бугера — Ламберта — Бера (также просто закон Бугера) — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Показатель поглощения определяется свойствами вещества и в общем случае зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества. 24. Биофизическое действие ультразвука. Назовите основные свойства ультразвука, которые определяют широкое применение его в практической медицине. Ультразвук - звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20000 герц. При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде. Помимо широкого использования в диагностических целях, ультразвук применяется в медицине (в том числе регенеративной) в качестве инструмента лечения. Ультразвук обладает такими свойствами: Противовоспалительное Рассасывающиеся Ультразвук используется в узи, косметологии, в биологических исследованиях. 25. Использование ультразвука в медицине: терапии, хирургии, диагностике. УЗ в хирургии: существуют два основных способа применения ультразвука в хирургии. В первом из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях – это ультразвуковой скальпель. Операции проводились на мозге, печени, почках, глазе. Во втором случае механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, механических наконечников. Такие инструменты называются ультразвуковая пила, ультразвуковая бормашина. УЗ в терапии: Ультразвук обладает следующими эффектами: противовоспалительным, рассасывающими действиями; анальгезирующим, спазмолитическим действием; кавитационным усилением проницаемости кожи. Фонофорез — комбинированный метод лечения, при котором на ткани вместо обычного геля для ультразвуковой эмиссии (применяемого, например, при УЗИ) наносится лечебное вещество (как медикаменты, так и вещества природного происхождения). Предполагается, что ультразвук помогает лечебному веществу глубже проникать в ткани. УЗ в диагностике: Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза. 26. Эффект Доплера, его использование для измерения скорости кровотока. Эффект Доплера, изменение частоты колебаний или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником колебаний), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Основная причина — изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения между источником и приёмником. При сохранении длины волн, испускаемых источником, это приводит к изменению числа волн, достигающих приёмника в каждую секунду, т.е. к изменению частоты принимаемых колебаний. νприемн. = νист.*(1±Vприемн/Vист.) Где vприемн – частота волн, воспринимаемых приемником, vист – частота волн, испускаемых источником, Vприемн – скорость движения приемника волн, Vист – скорость движения источника волн. Математическое описание. Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается: λ=(с-υ)/ ω0 где ω0 — частота, с которой источник испускает волны, с — скорость распространения волн в среде, υ — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется). Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется - длина волны увеличивается. Сущность эффекта Доплера, применяемого в медицинской практике. К кровеносному сосуду прижимается источник и приемник УЗ волн. По достижении границы между 2 средами, характеризующимися различным акустическим сопротивлением, часть энергии переходит во вторую среду, а часть ее отражается от границы раздела сред.. Если объект движется с определенной скоростью по направлению к источнику ультразвуковых импульсов, то его отражающая поверхность соприкасается с ультразвуковыми импульсами чаще, чем при неподвижном положении объекта. В результате этого частота отраженных колебаний превышает частоту генерируемых ультразвуковых импульсов. Напротив, при движении отражающих поверхностей от источника излучения частота отраженных колебаний становится меньше испускаемых импульсов. Разница между частотой генерируемых и отраженных импульсов называется допплеровским сдвигом. Отражающей поверхностью в данном случае являются в основном эритроциты. Эхокардиография, ультразвуковая кардиография, метод исследования сердца при помощи импульсного ультразвука. Основан на регистрации ультразвуковых волн, отражённых на границе структур сердца, имеющих различную плотность. В нормальных условиях последовательно записываются кривые отражения от стенок аорты и левого предсердия, передней и задней створок митрального клапана, межжелудочковой перегородки, задней стенки левого желудочка. Эхокардиография применяется в диагностике приобретённых и некоторых врождённых пороков сердца. 27. Что изучает электростатика? Что называется электрическим зарядом? В каких единицах измеряется электрический заряд? Электростатика изучает взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Измеряется в Кулонах (Кл). 28. Какие существуют виды электрических зарядов? Укажите примеры элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом. Заряд существует в двух видах: положительный и отрицательный. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются. Основными носителями зарядов в веществе, т.е. частицами, которым присущи электрические свойства, являются электроны, заряженные отрицательно (-), и протоны с положительным зарядом (+). 29. Как взаимодействуют одноименно заряженные тела? Как взаимодействуют разноименно заряженные тела? Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга. При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. 30. Что называется электрическим полем? Что называется напряженностью электрического поля? Каково направление напряженности? Укажите единицу напряженности в СИ. Электрическое поле — это физическое поле, которое окружает каждый электрический заряд и оказывает силовое действие на другие заряды, притягивая их к заряду-источнику или отталкивая от него. Это поле нельзя почувствовать с помощью наших органов чувств. Обнаружить его можно только с помощью другого заряженного тела. Напряжённость электрического поля — это |