- •Содержание
- •Предисловие
- •Методические указания
- •Глава 1 «математическая обработка экспериментальных данных»
- •Виды измерений
- •Погрешности измерения
- •Вычисление случайных погрешностей прямых измерений
- •Вычисление систематических погрешностей
- •Суммарная ошибка прямых измерений
- •Погрешности косвенных измерений
- •Запись результатов измерений
- •Практическая часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Лабораторная работа № 2 изучение законов постоянного тока и действие его на организм
- •Теоретическая часть
- •Часть I. Удельное сопротивление проводника
- •Часть II. Действие постоянного тока на организм Первичное действие постоянного тока на биологические ткани
- •Действие электрического тока на организм человека
- •Гальванизация
- •Электрофорез
- •Правила проведения лечебных электропроцедур
- •Практическая часть
- •Часть I. Определение удельного сопротивления металлического проводника
- •Порядок выполнения работы (часть 1)
- •Часть II. Измерение пороговой плотности тока
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Глава 2 «акустика»
- •Лабораторная работа № 3
- •Звуковые колебания, ультразвук
- •И их использование в медицине
- •Теоретическая часть Уравнение плоской волны и ее характеристики
- •Звуковые колебания и волны
- •Стоячая волна
- •Определение длины звуковой волны
- •Применение звука в медицине
- •Действие ультразвука (уз) на вещество и на ткани организма
- •Механическое действие
- •Тепловое действие
- •Химическое действие
- •Биологические эффекты, вызываемые ультразвуковыми волнами
- •Методы диагностики и методы лечения Ультразвуковая диагностика
- •Ультразвуковая терапия
- •Практическая часть
- •Часть 1. Определение частоты звуковых колебаний
- •Порядок выполнения работы (часть 1)
- •Часть 2. Изучение режимов работы аппарата «узт -1,01ф» Описание аппарата «узт-1,01ф»
- •Порядок выполнения работы (часть 2)
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Лабораторная работа № 4 снятие спектральной характеристики уха на пороге слышимости
- •Теоретическая часть Виды звуков
- •Физические характеристики звука
- •Физиологические характеристики звука
- •Кривые равной громкости
- •Аудиометрия
- •Строение уха
- •Физика слуха
- •Практическая часть Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Глава 3 «строение и свойства жидкостей» лабораторная работа № 5 определение вязкости жидкости методом стокса
- •Теоретическая часть
- •Практическая часть Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Ньютоновские и неньютоновские жидкости
- •Кровь – неньютоновская жидкость
- •Режимы течения крови
- •Гемодинамические показатели
- •Формула Пуазейля
- •Практическая часть Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом
- •Давление Лапласа
- •Капиллярные явления
- •Практическая часть Теория метода и описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Использованная и рекомендуемая литература
- •Глава 4 «магнитное поле,
- •Теоретическая часть
- •Магнитные свойства тканей организма. Физические основы магнитотерапии и магнитокардиографии.
- •Практическая часть Изучение магнитного поля соленоида с помощью магнитометра.
- •Исследование магнитного поля постоянного магнита.
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Лабораторная работа № 9 исследование магнитного поля индуктора икв-4 и его действия на модельную систему
- •Теоретическая часть Явление электромагнитной индукции. Самоиндукция.
- •Вихревые токи. Физические основы индуктотермии.
- •Практическая часть Изучение аппарата для индуктотермии икв-4 и подготовка его к работе.
- •Измерение индукции магнитного поля вблизи индуктора икв-4.
- •Изучение действия аппарата икв-4 на модельную систему.
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая и рекомендуемая литература
- •Дополнительная литература
- •Заключение
- •Расчетные формулы и формулы погрешностей:
- •Результаты измерений:
- •Результаты вычислений:
- •Образец отчета по лабораторной работе № 2 изучение законов постоянного тока и действие его на организм
- •Результаты измерений и вычислений:
- •Часть 1. Определение удельного сопротивления проволоки
- •Часть 2. Определение пороговой плотности электрического тока
- •Образец отчета по лабораторной работе № 3 звуковые колебания, ультразвук и их использование в медицине
- •Выводы по первой и второй частям работы:
- •Образец отчета по лабораторной работе № 4
- •Снятие спектральной характеристики
- •Уха на пороге слышимости
- •Обеспечивающие средства:
- •Результаты измерений и вычислений:
- •6. Вывод: образец отчета по лабораторной работе № 5 определение вязкости жидкости методом стокса
- •Обеспечивающие средства:
- •Расчетные формулы и формулы погрешностей:
- •Образец отчета по лабораторной работе № 6 определение вязкости жидкости вискозиметром оствальда
- •Образец отчета по лабораторной работе № 7 определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом капель
- •Образец отчета по лабораторной работе № 8 исследование магнитного поля постоянного магнита
- •Образец отчета по лабораторной работе № 9 исследование магнитного поля индуктора икв-4 и его действия на модельную систему
- •7. Вывод:
Использованная и рекомендуемая литература
Блохина М.Е., Эссаулова И.А., Мансурова Г.В. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М.: Дрофа, 2001. - 288 с. (Раздел 3. стр.77-83)
Джерри Мерион Б. Общая физика с биологическими примерами. М.: Высш. шк., 1986. 623 с. (§ 7.4 стр.163-166)
Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. М.: Дрофа, 2003.- 558 с. ( Глава 7. § 7.6 -§ 7.8 стр.123-129)
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Джанколи Д. Физика. М.: Мир, Т.1. 1989. - 653 с. (Том 1. Глава 12. § 12.7-§ 12.9 стр.360-367)
Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике/ Под ред. Кудрявцева В.А. - Киров: КГМА, 1999.-278с. (часть II стр.69-72, стр.79-80)
Глава 4 «магнитное поле,
ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОРГАНИЗМ»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОСТОЯННОГО МАГНИТА
Цель работы: ознакомление с методикой измерения магнитной индукции магнитного поля и исследование поля постоянного магнита.
Задачи работы: 1) изучение магнитного поля соленоида с помощью магнитометра; 2) градуировка магнитометра; 3) экспериментальное исследование поля постоянного магнита.
Обеспечивающие средства: магнитометр (блок питания, зонд, микроамперметр), соленоид, амперметр, постоянный магнит.
Теоретическая часть
Индукция магнитного поля. Магнитный поток. Магнитное поле соленоида.
Взаимодействие токов осуществляется через поле, называемое магнитным. Это название происходит от того, что, как обнаружил в 1820 году Эрстед, поле, возбуждаемое током, оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. В опыте Эрстеда проволока, по которой тек ток, была натянута над магнитной стрелкой, вращающейся на игле. При включении тока стрелка устанавливалась перпендикулярно к проволоке. Изменение направления тока заставляло стрелку повернуться в противоположную сторону.
Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину называют вектором магнитной индукции В.
Магнитное поле в отличии от электрического не оказывает действия на покоящийся заряд. Сила со стороны магнитного поля возникает лишь тогда, когда заряд движется. Проводник с током представляет собой электрически нейтральную систему зарядов, в которой заряды одного знака движутся в одну сторону, а заряды другого знака – в противоположную (либо покоятся). Отсюда следует, что магнитное поле порождается движущимися зарядами.
Таким образом, движущиеся заряды (токи) изменяют свойства окружающего их пространства – создают в нем магнитное поле. Это поле проявляется в том, что на движущиеся в нем заряды (токи) действуют силы.
Рассмотрим некоторый объект – «пробное тело», реагирующее на магнитное поле. В качестве такого тела достаточно взять малую рамку с током, чтобы можно было считать, что рамка помещается в некоторую точку поля. Опыт показывает, что на пробную рамку с током в магнитном поле действует момент силы M, зависящий от ряда факторов, в том числе и от ориентации рамки. Максимальное значение Mmax зависит от магнитного поля, в котором находится контур, и от самого контура: силы тока I, протекающего по нему, и площади S, охватываемой контуром, т. е.
Mmax ~ IS. (1)
Величину
pm = IS (2)
называют магнитным моментом контура с током. Таким образом,
Mmax ~ pm. (3)
Магнитный момент – векторная величина. Для плоского контура с током вектор pm направлен перпендикулярно плоскости контура S (вдоль направления нормали n ) и связан с направлением тока I правилом правого винта (винт указывает направление pm, если вращение производится в направлении распространения тока в рамке).
Магнитный момент является характеристикой не только контура с током, но и многих элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и т. д.), определяя поведение их в магнитном поле.
Единицей магнитного момента служит ампер - квадратный метр (A·м2). Магнитный момент элементарных частиц, ядер, атомов и молекул выражают в особых единицах, называемых или атомным (µБ) , или ядерным (µЯ) магнетоном Бора.
Зависимость (3) используют для введения силовой характеристики магнитного поля – магнитной индукции B.
Магнитная индукция в некоторой точке поля равна отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку с током в одном магнитном поле, к магнитному моменту этой рамки:
B=Mmax/pm. (4)
В общем случае момент сил, действующих на рамку с током равен:
М= pm · В · sin α , (5)
где α - угол между векторами В и pm (нормалью n к плоскости контура). Момент силы равен нулю, если нормаль (перпендикуляр) к рамке параллельна индукции магнитного поля ( α = 0о), и максимален, если нормаль перпендикулярна индукции магнитного поля ( α = 90о). Под действием вращающего момента сил М рамка с током будет поворачиваться так, чтобы векторы В и pm стали параллельными и одинаково направленными. На рис.1 показано положение рамки с током в магнитном поле индукции B, соответствующее максимальному моменту силы (а) и нулевому (б). Последний случай соответствует устойчивому равновесию контура (векторы B и pm коллинеарны).
Единицей магнитной индукции является тесла (Тл): 1 Тл= (1 Н·м)/(1 А·м)= 1 Н/ (А·м).
Таким образом, в поле с магнитной индукцией 1 Тл на контур, магнитный момент которого 1 А·м2, действует максимальный момент силы 1 Н·м.
Магнитное поле графически изображается с помощью линий магнитной индукции, касательные к которым показывают направление вектора B. Линии магнитной индукции не имеют начала или конца и являются замкнутыми. Подобные поля называют вихревыми.
Обычно проводят не все линии магнитной индукции, а совершенно определенное их число. При этом условии густота линий на рисунке наглядно показывает, где поле сильнее, а где слабее. Будем считать, что число линий, проходящих через единичную, перпендикулярно им расположенную площадь, численно равно значению модуля вектора B. Рассмотрим некоторую площадку S, находящуюся в области некоторого магнитного поля индукции B (рис.2). Проведём линии магнитной индукции через эту площадку. Её проекция на плоскость, перпендикулярную линиям, равна S0. Число линий, пронизывающих S и S0, одинаково. Так как густота линий соответствует значению B, то общее число линий, пронизывающих площадки, равно
Ф = B·S0 (6)
Из рис. 2 видно, что S0 = S· cos α, откуда
Ф = B·S · cos α или Ф = Bn·· S, (7)
где Bn = B · cos α - проекция вектора B на направление нормали n (перпендикуляру) к площадке; Ф – магнитный поток.
В более общем случае неоднородного магнитного поля (рис.3) магнитный поток Ф также равен числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность.
Единицей магнитного потока Ф является вебер (Вб):1 Вб = 1Тл·м2.
Рассмотрим магнитное поле внутри соленоида (рис.4). Соленоид - длинная катушка, на которую намотан проводник, по которому протекает ток I. Чем длиннее (относительно диаметра) катушка, тем более однородным является магнитное поле внутри соленоида. Силовые линии внутри соленоида параллельны и расположены плотно, а вне соленоида расположены редко. Следовательно, индукция магнитного поля внутри соленоида значительно превосходит индукцию поля вне соленоида.
Рис. 4
Индукция магнитного поля внутри соленоида Bc зависит от силы тока I , протекающего по проводам соленоида, от плотности витков соленоида (числа витков на единицу длины) и от магнитных свойств среды, в которую помещен соленоид.
Bc = . 0 . I . n = . 0 . I . , (8)
где - магнитная проницаемость вещества, величина безразмерная (воздуха ≈1); 0 = 4 ·10-7 Гн/м – магнитная постоянная; N - число витков соленоида; - длина соленоида. Из формулы (8) видно, что магнитное поле соленоида не зависит от диаметра витков катушки (для большого отношения длины к диаметру).
В веществе магнитное поле возбуждается не только электрическими токами, текущими по проводам. Ранее было указано, что элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны), из которых состоят атомы и молекулы, обладают магнитным моментом. Векторная сумма магнитных моментов этих частиц представляет собой магнитный момент атома или молекулы. В магнитном поле магнитные моменты атомов и молекул вещества полностью или частично ориентируются вдоль поля, то есть вещество намагничивается. Большинство тел при внесении в магнитное поле намагничиваются слабо (это диамагнетики и парамагнетики). Сильными магнитными свойствами обладают только ферромагнитные вещества (ферромагнетики): железо, никель, кобальт, множество их сплавов и т.д. Постоянные магниты, изготовляемые из стали и различных магнитных сплавов, намагничены и в отсутствии внешнего магнитного поля.