![](/user_photo/1540_Ot9pn.jpg)
Ответы к коллоквиуму по физике
.doc
№ 1 Какие процессы называются колебательными? Гармонические колебания. Уравнение и график гармонических колебании. Частота колебаний. Укажите на графике амплитуду, период колебания, начальную фазу.
Колебаниями называют различные движения характеризующиеся повторением различных состояний и описывающих их величин. Они очень широко представлены в окружающей природе и в живом организме. Например ( сердечное со кращение, дыхание, изменение формы стенки крупного кровеносного сосуда. Колебания бывают: 1)Свободные (под действием внутренних сил) (Fвын = 0) а) Незатухающие(Fтр = 0) б) Затухающие(Fтр не = 0) 2)Вынужденные (под действием внешних периодических сил) 3) Автоколебания (Fвын не = 0) Гармонические колебания – смещение происходит по закону синуса и косинуса, если на тело действует только упругая сила. Закон Гука : Fупр = - k(коэф.жесткости)S(смещение)
Г Уравнение гармонических колебаний: S’’ + Wo2 S = 0 - Wo – круговая частота собствен.колеб.
Частота колебаний – (v) число колебаний, совершаемых системой за единицу времени. Единицей частоты является герц (Гц)
|
№ 2 Затухающие колебания. Уравнение и график затухающих колебаний. Вынужденные колебания. Резонанс: при каких условиях он возникает?
Колебания бывают: 1)Свободные (под действием внутренних сил) (Fвын = 0) а) Незатухающие(Fтр = 0) б) Затухающие(Fтр не = 0) 2)Вынужденные (под действием внешних периодических сил) 3) Автоколебания (Fвын не = 0) На колеблющееся тело действуют силы сопротивления (трения), характер движения изменяется, и колебание становится затухающим.
S(t) – смещение, A – амплитуда(Wot + фио) – фаза колебания, Частота колебаний – (v) число колебаний, совершаемых системой за единицу времени. Единицей частоты является герц (Гц)
Вынужденные колебания – возникают в колебательной системе при действии на нее внешней, периодически изменяющейся силы, называемой вынуждающей силой. Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при определенном значении частоты вынуждающей силы. |
№ 3 Какие процессы называют механическими волнами? Уравнение и график плоской гармонической волны. Характеристики волны: скорость распространения, длина, интенсивность.
Механической волной называют механические возмущения, распространяющиеся в пространстве и несущие энергию. Возмущения – изменение состояния системы относительно покоя. Механические волны бывают: 1)Упругими волнами(распростр. Упругих деформаций) 2)Волны на поверхности жидкости Уравнение позволяет определить смещение любой точки, учавст. В волновом процессе в любой момент времени:
|
|
||
№ 4 Звук, его природа. Физические характеристики звуковой волны. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками волны.
Распространяющиеся в воздухе упругие волны, достигнув человеческого уха, вызывают специфическое ощущение звука, если частота этих волн лежит в пределах от 16 до 20000 гц. Звуковые волны распространяются в газах, в воде, в мягких тканях организма человека. В воздухе звуковая волна является продольной волной, т.е. волной сжатия, растяжения. К физическим характеристикам относятся : 1)V – частота звука - число колебаний частиц в секунду, участвующих в волновом процессе. 2) Ню – скорость звуковой волны. Волны возможны в том случае, когда возмущения распространяются с конечной скоростью. 3) I – Интенсивность волны средняя энергия, переносимая волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярная направлению распространения волны. 4) Спектр звука указывает как распределены амплитуды между отдельными гармоническими составляющими.
К субъективным характеристикам относятся : Тембр звука – субъективная оценка спектрального состава звука. Высота – субъективная оценка частоты звукового сигнала: чем больше частота, тем выше звук. Громкость – субъективная оценка интенсивности звука, восприятие интенсивности зависит от частоты звука. АКУСТИЧЕСКИЙ СПЕКТР - графическое изображение состава шума в зависимости от частоты; является важнейшей характеристикой шума |
№ 5 Что такое громкость звука. Зависимость громкости от интенсивности и частоты звуковой волны. Закон Вебера – Фехнера. От чего зависит порог слышимости звука, кривая порога слышимости, кривые равной громкости. Аудиометрия.
Громкость — субъективная оценка интенсивности звука. Однако восприятие интенсивности зависит от частоты звука. Звук большей интенсивности одной частоты может восприниматься как менее громкий, чем звук меньшей интенсивности другой частоты. Опыт показывает, что для каждой частоты в области слышимых звуков (20—20-103 Гц) имеется так называемый порог слышимости. Это минимальная интенсивность, при которой ухо еще реагирует на звук. Кроме того, для каждой частоты имеется так называемый порог болевых ощущений, т.е. то значение интенсивности звука, которое вызывает боль в ушах (повышение интенсивности звука выше порога болевых ощущений опасно для уха).
З
Закон Вебера-Фехнера: Если раздражение (интенсивность звука) меняется в геометрической прогрессии, то ощущения (уровень громкости) меняется в арифметической прогрессии. Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. Если же не задаваться фиксированной частотой, то громкость звука можно оценить по так называемым кривым равной громкости, схематично представленным на рис. А |
№ 6 Ультразвук (УЗ), его физическая природа. Отражение ультразвука на границе раздела сред, коэффициент отражения. Закон поглощения ультразвука в однородной среде. График зависимости интенсивности УЗ от толщины поглощающего слоя.
Ультразвук – механическая волна с частотой большей 20 кГц и соответственно длиной волны меньшей, чем у звуковой волны.
У |
|
||
№ 7 Ультразвука в медицинской диагностике. Принцип эхолокации. Эффект Доплера, его применение в УЗ исследованиях.
Ультразвуковой метод имеет существенные преимущества по сравнению с рентгеновским. 1) Практически полное отсутствие каких либо побочных эффектов позволяет проводить длительные и многократные исследования любых частей тела, включая исследование плода во все периоды беременности. 2) Высокая чувствительность к акустическим неоднородностям дает возможность получать эхограммы мягких тканей. 3) Быстрое сканирование позволяет наблюдать динамику внутренних органов – сокращение сердца. 4) Точное определение размеров внутренних органов и их частей.
Эхолокация –
метод
локализации неоднородностей в средах.
Она основана на явлении отражения
ультразвука от границы раздела
различных сред. Эффект
Доплера – для медицины
важно применение ультразвука основанное
на эффекте Доплера. Если при покоящихся
относительно друг друга источнике и
приемнике некоторой волны ( например
ультразвуковой) частота излучаемо
волны и регистрируемой приемником
одинакова, то при относительном
сближении регистрируемая приемником
частота волны будет больше той частоты,
которую зафиксировал источник.
Специальная
формула позволяет
по сдвигу (разности) частот излучаемой
и регистрируемой волн оценить скорость
относительного движения приемника
и источника v.
|
№ 8 Источники электрического и магнитного полей. Основные положения теории Максвелла об электромагнитном поле.
Э
В основе теории Максвела лежат два положения: 1) Всякое переменное электрическое поле порождает магнитное. 2) Всякое переменное магнитное поле порождает электрическое (явление электромагнитной индукции). Взаимное образование электрических и магнитных полей приводит к понятию электромагнитной волны – распространение единого электромагнитного поля в пространстве. |
№ 9 Электромагнитные (ЭМ) волны, уравнения и график плоской ЭМ волны. Характеристики ЭМ волны (скорость распространения ЭМ волны в вакууме и в средах, длина волны, интенсивность).
Взаимное образование электрических и магнитных полей приводит к понятию электромагнитной волны – распространение единого электромагнитного поля в пространстве. Распространение плоской Эм – волны описывается двумя уравнениями соответственно для электрич. и магнитной компонента единого электромагнитного поля. Е – напряженность электрического поля Ео – их амплитудное значение.
|
|
||
|
№ 10 Квантовая механика как метод познания микромира. Корпускулярно-волновой дуализм. Энергия фотона. Длина волны де Бройля. Соотношение неопределенностей в квантовой механике.
Квантовой механикой называют теорию устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц. В физике в течении многих лет господствовала теория, согласно которой свет есть электромагнитная волна. Однако после работ Планка ( тепловое излучение), Эйнштейна (фотоэффект) и др…стало очевидным, что свет обладает корпускулярными свойствами. Необходимо рассматривать свет как поток частиц – фотонов. Фотон – элементарная частица движущаяся со скоростью света, обладающая волновыми свойствами и имеющая энергию Е = hню, где ню – частота световой волны. По
де Бройлю,
движение электрона описывается
волновым процессом с характеристической
длиной волны
λ=h/p(импульс)=h/mV.
Корпускулярно-волновой
дуализм:
Волны обладают свойствами частиц, а
частиц – свойствами волн. Это означает
что ряд явлений можно было успешно
интерпретировать на язык волновой
теории света, а др. явления требовали
для объяснения привлечения корпускулярный
представлений.
Соотношение
неопределенностей:
Предложены Гейзенбергом. Пусть
одновременно измеряют положение и
импульс частицы, при этом неопределенности
в измерении координаты и проекции
импульса на эту координатную ось
например Х, равны соответственно X
и Px.
(связаны зависимостью).Соотношением
неопределенности:
|
№ 11 Законы теплового излучения Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Вина. Спектр излучения абсолютно черного тела.
Только одно электромагнитное излучение присуще всем телам – это излучение нагретых тел – Тепловое излучение. Оно возникает при любых температурах выше 0 кельвина. Спектр излучения тела – зависимость спектральной плотности энергетич. Совместимости от длины волны. Способность тела поглощать энергию излучения характеризуют – коэффициентом поглощения, равные отношению потока излучения, поглощенного упавшего на него. Тело, коэф.поглощения которого равен единице для всех длин волн\частот) называют ЧЕРНЫМ. Оно поглощает все падающее на него излучение, при любой температуре.
З И |
№ 12 Энергетические уровни атомов и молекул. Квантовые переходы в атомах и молекулах. Атомные и молекулярные спектры поглощения и излучения.
Энергетические уровни атомов и молекул: Электроны в невозбужденном состоянии заполняют нижние энерг. уровни, а верхние уровни - свободны. Если атом получает энергию в результате столкновения с другими атомами или поглощая квант света, то он переходит в возбужденное состояние и какой-либо электрон атома переходит с нижнего уровня на один из верхних. Через небольшой промежуток времени он возвращается на нижний уровень, испуская квант света определенной частоты. Молекулы состоят из взаимодействующих атомов, внутримолекулярное движение сложнее внутриатомного. В молекуле кроме движения электронов относительно ядер происходит колебательное движение атомов около их положения равновесия и вращательное движение молекулы как целого. Электронному, колебательному и вращательному движению молекуле соответствует три типа уровней энергии: Еэл, Екол, Евр. Полная энергия молекулы равна: Е=Еэл+Евращ+Екол. Квантовые переходы в атомах и молекулах. Излучение квантов света происходит при переходе атомов с уровней с большими значениями энергии на уровни с меньшими значениями энергии, а поглощение - при обратном процессе. Атомные и молекулярные спектры поглощения и излучения: Атомные спектры – это спектры, получающиеся при испускании или поглощении света (эм – волн) свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают в частности, одноатомные газы и пары. Атомные спектры являются линейчастыми – они состоят из отдельных спектральных линий. Каждая спектральная линия характеризуется определенной частотой колебаний V испускаемого или поглощаемого кванта света.
Молекулярные спектры – это спектры испускания и поглощения, а также комбинационного рассеяния света, принадлежащие свободным или слабо связанным между собой молекулам. Молекулярные спектры имеют сложную структуру – полосатые, они наблюдаются в виде совокупности более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областях, распадающихся при достаточно разрешающей силе применяемых спектральных приборов на совокупность тесно расположенных линий. |
|
||
|
||
№ 13 Явление поглощения света в веществе. Закон Бугера (вывод), график. Закон Бугера–Ламберта–Бера. Оптическая плотность вещества. Принцип работы спектрофотометра.
Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.
З О |
№ 14 Оптические квантовые генераторы (лазеры). Инверсная заселенность уровней. Индуцированное излучение. Свойства лазерного излучения, его применение в медицине.
Оптические квантовые генераторы: Лазером – называют устройство, генерирующее когерентые электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в резонатор. Лазер как и всякий генератор, состоит из 3х элементов: 1)Источник энергии, 2)Регулятор, 3) колебательная система Регулятором является система возбуждения энергетических уровней. Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вынужденные переходы на более нужный уровень с испусканием квантов индуциров. Излучения, является рабочим веществом лазера. Инверс. Населенность соотвествует среде с – показателем поглощения. Индуцированное излучение - вынужденный переход возбужденной частицы на нижний уровень. При этом число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т.е. интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Число вынужденных переходов будет тем больше чем выше населенностью соответствующих энергетических состояний. Свойства лазера: 1) Высокая монохроматичность, 2) Достаточно большая мощность 3) Узость пучка 4) поляризация 5) лучи е расходятся, строго параллельны 6) Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Применение лазера: 1) В хирургие для бескровного разреза сильно кровоточащих тканей. 2) В офтальмологии для приваривания отслоившейся сетчатки. 3) В терапии.Наружное и внутреннее облучение. |
№ 15 Рентгеновское излучение, его физическая природа. Механизмы характеристического и тормозного рентгеновского излучения.
Р
|
|
||
|
||
№ 16 Устройство рентгеновской трубки. Коротковолновая граница спектра тормозного рентгеновского излучения. Регулировка жесткости и интенсивности рентгеновского излучения.
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двух электродный вакуумный прибор.
- подогретый катод испускает электрон – анод (антикатод) имеет наклонную поверхность. Катод подключен к источнику низкого переменного напряжения. При протекании по спирали катода переменного электрич. Тока она нагревается и некоторые свободные электроны получают дополнительную энергию, достаточную чтобы покинуть поверхность катода. Изменение траектории электрона означает появления у него ускорения, а как следует электродинамики Максвела, любой ускоренно движущийся заряд излучает энергию в виде эм – волны. Коротковолноое Р – излучение – обычно обладает большей проникающей способностью чес длинноволновое и называется жестким, а длинноволновое – мягким( мягкое излучение сильнее поглощается веществом) увеличивая напряжение на рентгенов. Трубке изменяют спектральный состав излучения и увеличивают жесткость. Спектр тормозного Р – излучения: Спектр непрерывный, но в нем обнаруживается коротковолновая граница. Она обусловлена тем, что энергия излучающего кванта Р – излучения не может быть больше энергии, которую электрон приобрел в ускоряющем поле. |
№ 17 Закон ослабления интенсивности рентгеновского излучения, график. Линейный коэффициент ослабления. Физические основы получения рентгеновских снимков в медицине.
Э
где I0 — интенсивность рентгеновского излучения, падающего на вещество; I1 - интенсивность рентгеновского излучения, прошедшего в веществе слой длины I; μ — линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения веществом.
б -зависимость
интенсивности рентгеновского излучения,
прошедшего в веществе слой толщины
1, от толщины этого слоя 1; d0,5
- толщина слоя половинного ослабления.
Коэффициент
ослабления
играет важную роль в диагностике
заболеваний различных внутренних
органов при помощи просвечивания
тела рентгеновскими лучами
(рентгенодиагностика). При этом важную
роль играет зависимость линейного
коэффициента ослабления от свойств
тканей и вытекающее из него различное
поглощение рентгеновского излучения
различными тканями и органами тела.
В большинстве случаев этот коэффициент
прямо пропорционален средней плотности
ткани р, третьей степени длины волны
рентгеновского излучения X
и, что самое
для нас важное, третьей степени
порядкового номера атома вещества,
составляющего ткань, — Z:
Получение рентгеновских снимков. Если на пути рентгеновских лучей поместить неоднородное тело и перед ним поставить флуоресцирующий экран, то это тело, поглощая или ослабляя излучение, образует на экране тень. По характеру этой тени можно судить о форме, плотности, структуре, а во многих случаях и о природе тел. т.е. существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображение внутренних органов. |
№ 18 Принцип рентгеновский компьютерной томографии. Рентгеновский томограф, его устройство. Основные отличия рентгеновской томограммы от рентгеновского снимка.
Рентгеновские компьютерные томографы – Это комплекс аппаратуры, предназначенный для неинвазивного получения послойных изображенй внутреннего строения органов человека или организма в целом. Рассмотрим две идеи, лежащие в основе метода компьютерной томографии. Во-первых, авторы предложили получать изображения органов в тех или иных срезах (поперечных сечениях), а затем при необходимости из полученных срезов «собирать» объемное изображение объекта. Во-вторых, авторы предложили получать изображение в срезах, просвечивая объект с разных сторон.
П Отличие томограммы от обычного рентгеновского снимка. Просвечиваясь много раз под самыми разными углами, выделенная квадратом область среза объекта автоматически «записывает» свой коэффициент ослабления сразу в несколько уравнений, ЭВМ определяет его значение и раскрашивает с определенной яркостью. В таком рисованном при помощи ЭВМ изображении по результатам предварительных расчетов коэффициентов ослабления принципиально не может быть наложения изображений одних органов на другие (что имеется на обычном рентгеновском снимке) и есть возможность добиться более высокой, чем при обычной методике, контрастности (Δμ / μ ~ 0,001). |