Giáo trình vật lý - Lý sinh y học

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC --------------------- GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa, y học dự phòng, răng hàm mặt) THÁI NGUYÊN - 2011 E ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC --------------------- GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa, y học dự phòng, răng hàm mặt) Tham gia biên soạn : TS. Bùi Văn Thiện (Chủ biên) Ths. Nguyễn Quang Đông Ths. Nguyễn Xuân Hòa Thư ký biên soạn: Ths. Nguyễn Quang Đông THÁI NGUYÊN - 2011 ii GIÁO TRÌNH VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC Chủ biên: TS. Bùi Văn Thiện Tham gia biên soạn: TS. Bùi Văn Thiện ThS. Nguyễn Quang Đông ThS. Nguyễn Xuân Hòa ThS. Nguyễn Minh Tân CN. Vũ Thị Thúy Thư ký biên soạn: ThS. Nguyễn Quang Đông i MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1  PHẦN: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG................................................................................2  Phần thứ nhất: CƠ HỌC .............................................................................................3  Bài mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG..........................................................3  Chương 1: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG...........................................................................6  1.1. Chuyển động dao động.................................................................................6  1.2. Chuyển động sóng........................................................................................8  1.3. Sóng âm......................................................................................................10  1.4. Hiệu ứng doppler và ứng dụng...................................................................16  Chương 2: CƠ HỌC CHẤT LƯU ............................................................................19  2.1. Đặc điểm của chất lưu................................................................................19  2.2. Tĩnh học chất lưu .......................................................................................19  2.3. Động lực học chất lưu lý tưởng..................................................................21  2.4. Hiện tượng nhớt - ứng dụng......................................................................23  Phần thứ hai: NHIỆT HỌC .......................................................................................25  Mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN......................................................................25  Chương 3: CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ ..........................28  3.1. Thuyết động học chất khí và khí lý tưởng .................................................28  3.2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng ...................................................30  Chương 4: CHẤT LỎNG..........................................................................................32  4.1. Cấu tạo và chuyển động phương tử của chất lỏng .....................................32  4.2. Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng....................................................33  4.3. Hiện tượng mao dẫn...................................................................................39  4.4. Hiện tượng sôi, hiện tượng bay hơi............................................................43  Phần thứ ba: ĐIỆN TỪ..............................................................................................45  Chương 5: TĨNH ĐIỆN.............................................................................................45  5.1. Khái niệm mở đầu ......................................................................................45  5.2. Định luật culông (coulomb) .......................................................................46  5.3. Điện trường của các điện tích điểm ...........................................................48  5.4. Điện thế, hiệu điện thế ...............................................................................50  ii Chương 6: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI ...................................................................49  6.1. Những khái niệm mở đầu...........................................................................49  6.2. Những đại lượng đặc trưng của dòng điện.................................................50  Chương 7: TỪ TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI ..........................................54  7.1. Thí nghiệm về tương tác từ của dòng điện.................................................54  7.2. Định luật ampe (amper) về tương tác từ của dòng điện.............................55  7.3. Vectơ cảm ứng từ, vectơ cường độ từ trường ............................................56  Chương 8: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ.............................................................................62  8.1. Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ ...............................................62  8.2. Các định luật cơ bản về cảm ứng điện từ ...................................................63  8.3. Một số trường hợp đặc biệt của cảm ứng điện từ ......................................65  Phần thứ tư: QUANG HỌC ......................................................................................67  Chương 9: CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC - DỤNG CỤ QUANG HỌC .........67  9.1. Các định luật cơ bản của quang hình học ..................................................67  9.2. Dụng cụ quang học.....................................................................................71  Chương 10: BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG ...........................................................82  10.1. Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng.........................................82  10.2. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.................................................................85  10.3. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng..................................................................92  10.4. Hiện tượng phân cực ánh sáng.................................................................98  10.5. Thuyết lượng tử về bản chất của ánh sáng...............................................99  PHẦN: LÝ SINH Y HỌC.....................................................................................105  Chương 11: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC.106  11.1. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và ứng dụng trong y học................106  11.2. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và ứng dụng trong y học ............108  Chương 12: VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT ...........113  12.1. Các hiện tượng vận chuyển vật chất cơ bản trong cơ thể sinh vật.........113  12.2. Sự vận chuyển của vật chất qua màng tế bào .......................................121  Chương 13: LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP.............................134  13.1. Lý sinh tuần hoàn ...................................................................................134  13.2. Lý sinh hô hấp........................................................................................146  iii Chương 14: ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC.....154  14.1. Ứng dụng của sóng âm...........................................................................154  14.2. Ứng dụng của siêu âm............................................................................162  Chương 15: CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG .........................168  15.1. Hiện tượng điện sinh vật - cơ chế phát sinh và lan truyền...................168  15.2. Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn từ thần kinh đến cơ........................175  15.3. Tác dụng của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng trong điều trị......................184  Chương 16: QUANG SINH HỌC ..........................................................................189  16.1. Cơ chế hấp thụ ánh sáng và phát sáng ...................................................189  16.2. Tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống..................................................199  16.3. Mắt và dụng cụ bổ trợ ............................................................................203  16.4. Laser và ứng dụng trong y học...............................................................216  Chương 17: Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN ..............................................226  17.1. Tia phóng xạ...........................................................................................226  17.2. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hoá......................................................234  17.3. Ứng dụng của tia phóng xạ trong y học và an toàn phóng xạ................237  Chương 18: BỨC XẠ RƠNGHEN (TIA X) VÀ ỨNG DỤNG .............................243  18.1. Hiện tượng bức xạ tia x và ứng dụng trong y học..................................243  18.2. Kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính và ứng dụng.............................................248  Chương 19: PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ........................253  19.1. C¬ së vËt lý cña ph−¬ng ph¸p céng h−ëng tõ h¹t nh©n..........................253  19.2. Chôp ¶nh c¾t líp céng h−ëng tõ h¹t nh©n ..............................................259  TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................264  1 LỜI NÓI ĐẦU Vật lý học là một ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu những tính chất, quy luật cơ bản và khái quát nhất của thế giới vật chất. Những thành tựu của vật lý được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong Y học, những ứng dụng của Vật lý học như: sử dụng các kĩ thuật vật lý trong chẩn đoán và điều trị, điện tim, điện tâm đồ, điện não đồ, điều trị bằng nhiệt, bằng từ trường, ứng dụng của âm và siêu âm, chụp X quang, sợi quang học trong mổ nội soi, ứng dụng của phóng xạ, chụp hình cắt lớp vi tính, chụp cộng hưởng từ hạt nhân, mắt và các dụng cụ quang học, ứng dụng của ánh sáng trong điều trị, những ứng dụng của laser ... đã làm cho ngành Y có một sự phát triển vượt bậc, giúp các thầy thuốc chẩn đoán chính xác và điều trị có hiệu quả cao. Giảng dạy môn Vật lý - Lý sinh y học nhằm trang bị cho sinh viên ngành Y những kiến thức vật lý cơ bản nhất liên quan phục vụ ngành nghề Y – Dược, rèn luyện cho sinh viên phương pháp tư duy khoa học, kết hợp giữa lý thuyết với thực tiễn, đồng thời giúp họ có thể học các môn học khác như: Sinh, Hoá, Hoá - Lý, Vật lý trị liệu - phục hồi chức năng, Chẩn đoán hình ảnh, y học hạt nhân, và các môn học khác có liên quan. Giáo trình này được biên soạn theo chương trình đào tạo mới xây dựng của trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên. Do đối tượng đào tạo chủ yếu là sinh viên miền núi, nên khả năng tiếp thu kiến thức vật lý có nhiều hạn chế. Vì vậy việc biên soạn một giáo trình Vật lý - Lý sinh y học vừa đảm bảo tính cơ bản và hệ thống kiến thức, phù hợp với chương trình khung của Bộ, vừa phù hợp với đối tượng đào tạo theo tín chỉ là một việc làm cần thiết. Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế, chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp và các em sinh viên để giáo trình ngày càng được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 28 tháng 8 năm 2011 BỘ MÔN VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC 2 PHẦN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 3 Phần thứ nhất: CƠ HỌC Bài mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG 1.1. Chuyển động cơ học Là sự thay đổi vị trí của vật hay một bộ phận của vật trong không gian theo thời gian. 1.2. Chất điểm Là một vật có khối lượng nhưng có kích thước nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách mà ta đang khảo sát. Một tập hợp chất điểm gọi là hệ chất điểm (Một vật có thể coi là tập hợp của vô số chất điểm). Chất điểm có tính tương đối. Ví dụ: Electron chuyển động trên quĩ đạo quanh hạt nhân; Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời được coi là chất điểm. 1.3. Hệ qui chiếu Vật được chọn làm mốc, cùng với hệ toạ độ và một chiếc đồng hồ gắn liền với nó, để xác định vị trí của vật khác, gọi là hệ qui chiếu. 1.4. Phương trình chuyển động của chất điểm Trong hệ toạ độ Đề các, vị trí của chất điểm M tại một thời điểm nào đó được xác định bởi 3 toạ độ x, y, z hoặc bởi bán kính véc tơ r G , đều là những hàm của thời gian. x = x(t); y = y(t); z = z(t) r = r(t) G G Các phương trình trên gọi là các phương trình chuyển động của chất điểm. 1.5. Quỹ dạo chuyển động Quỹ đạo chuyển động là đường mà chất điểm vạch ra trong không gian khi chuyển động. Muốn xác định được dạng quỹ đạo, ta phải tìm phương trình quỹ đạo. Phương trình quỹ đạo là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các toạ độ. Ví dụ: y = ax2 + bx +c (Quỹ đạo parabol) M(x, y, z) z y x 4 1.6. Tính chất tương đối của chuyển động Chuyển động có tính tương đối, tuỳ theo hệ qui chiếu ta chọn, một vật có thể coi là đứng yên hay chuyển động. Ví dụ: Một người đang đứng yên trên tàu hoả, nhưng lại chuyển động so với cột cây số bên đường. 1.7. Đơn vị đo lường Mỗi một thuộc tính của một đối tượng vật lý được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý. Một trong những vấn đề cơ bản của vật lí học là đo lường các đại lượng vật lý. Người ta phải chọn một đại lượng làm mẫu gọi là đơn vị. Từ năm 1965 người ta đã chọn hệ đo lường quốc tế SI (System International - Hệ quốc tế). Bảng 1.1. Bảy đại lượng vật lý cơ bản trong hệ SI Tên đại lượng Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu đơn vị Chiều dài L met m Khối lượng M kilogam kg Thời gian T giây s Cường độ dòng điện I ampe A Cường độ sáng J candela Cd Nhiệt độ θ Kelvin K Lượng vật chất N mol Mol Muốn biểu diễn những số rất nhỏ hay rất lớn, người ta dùng luỹ thừa 10. Ví dụ: 3,6 mA = 3,6.10-3A 2,0 nm = 2,0.10-9m Bảng 1.2 Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu 1012 Tera T 10-1 dexi D 109 Giga G 10-2 centi C 106 Mega M 10-3 mili M 103 Kilo K 10-6 micro μ 102 Hecto H 10-9 nano N 101 Deca D 10-12 pico P 5 1.8. Thứ nguyên Thứ nguyên của một đại lượng vật lí là công thức nêu lên sự phụ thuộc của đại lượng đó vào các đại lượng cơ bản. Ví dụ: Vận tốc = Chiều dài/ Thời gian Ta kí hiệu thứ nguyên vận tốc là: [Vận tốc] = L/T = LT-1 Đơn vị của vận tốc là: m/s. Nhờ khái niệm thứ nguyên ta có thể kiểm nghiệm lại độ đúng đắn của một công thức vật lý vì hai vế của một công thức vật lý phải có thứ nguyên như nhau. Ví dụ: Công thức chu kỳ của con lắc: T = l2π g . Thứ nguyên của hai vế là: T = -2 L L.T = T. Như vậy về mặt thứ nguyên công thức trên là hợp lý. 1.9. Các đại lượng vật lý Mỗi thuộc tính của một đối tượng vật lý (Một vật thể, một hiện tượng, một quá trình ...) được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý. Ví dụ: Khối lượng, thời gian, thể tích, lực, năng lượng ... Các đại lượng vật lí có thể là vô hướng hay đại lượng véc tơ (hữu hướng). 1.9.1. Xác định một đại lượng vô hướng Nghĩa là xác định giá trị của nó, có những đại lượng vô hướng không âm như: Thể tích, khối lượng... , có những đại lượng vô hướng mà giá trị có thể âm hay dương, ví dụ như: điện tích, hiệu điện thế... 1.9.2. Xác định một đại lượng véc tơ Nghĩa là xác định điểm đặt, phương, chiều, và độ lớn của véc tơ đặc trưng cho đại lượng đó. Ví dụ: lực F G , cường độ điện trường E JG ... 6 Chương 1 DAO ĐỘNG VÀ SÓNG 1.1. CHUYỂN ĐỘNG DAO ĐỘNG 1.1.1. Dao dộng là gì? Chuyển động dao động là sự chuyển động lặp đi lặp lại vị trí cân bằng sau những khoảng thời gian nhất định. + Ví dụ: - Dao động của lò xo: Ở trạng thái cân bằng: hlF JJG = 0. Dùng ngoại lực kéo lò xo lệch khỏi VTCB một đoạn x rồi thả ra, vật nặng chuyển động về vị trí cân bằng O do tác dụng của một lực đàn hồi dhF JJG . Lực đàn hồi bằng nhưng ngược chiều với ngoại lực. dhF .xk= − JJG G (1.1) Dấu (-) do lực đàn hồi luôn ngược chiều với vectơ dịch chuyển x k: hệ số đàn hồi của lò xo. Phụ thuộc bản chất của lò xo Đến vị trí cân bằng dhF = 0. Nhưng do quán tính, vật tiếp tục chuyển động sang trái một đoạn đúng bằng x (nếu bỏ qua ma sát của không khí). Lúc đó lại xuất hiện lực đàn hồi do lò xo phải kéo, lò xo trái đẩy, vật lại qua vị trí cân bằng rồi sang phải. Quá trình cứ lặp lại như vậy nhiều lần sau từng khoảng thời gian bằng nhau. Người ta gọi chuyển động đó là chuyển động dao động. - Con lắc đơn Lấy một sợi dây mảnh, không co giãn, chiều dài l. Một đầu dây buộc vào vật nặng khối lượng m, đầu kia buộc vào bản cố định. Ta có một con lắc đơn. Thoạt đầu dưới tác dụng của trọng lực P JG con lắc đứng yên. Hình 1.1 7 Tác dụng một ngoại lực làm cho con lắc lệch ra khỏi phương thẳng đứng một góc lệch α . Sau đó thôi tác dụng ngoại lực. Ở vị trí mới, trọng lực P của vật nặng được phân chia ra 2 thành phần: P = P JG t + P n (1.2) P t: theo phương kéo dài của dây treo P n: có tác dụng kéo con lắc về vị trí cân bằng Ở vị trí cần bằng P n=0. Nhưng do còn quán tính nó lại tiếp tục sang trái (giả thiết như ban đầu bài toán đề ra: dây treo mảnh, góc α nhỏ, bỏ qua ma sát của không khí). Con lắc lệch sang trái một góc đúng bằng α và lúc đó P n lại xuất hiện kéo vật về vị trí cân bằng. Cứ như vậy chuyển động của con lắc lặp đi lặp lại sau những khoảng thời gian như nhau. Lực P n là lực gây ra chuyển động dao động: Pn = P.sinα (1.3) Vì α nhỏ ⇒ sinα ≈ α . Ta có: Pn = P. α (1.4) Pn gọi là lực chuẩn đàn hồi 1.1.2 Phương trình dao động điều hoà Trong 2 ví dụ trên nếu không có ma sát của môi trường thì độ dịch chuyển x và góc lệch α về 2 phía đối với vị trí cân bằng là bằng nhau. Dao động sẽ thực hiện trong một thời gian dài. Nếu ly độ x của dao động biến đổi điều hòa thì dao động gọi là dao động điều hoà. Trong dao động này độ lệch cực đại (hay biên độ) không đổi theo thời gian. Ngược lại nếu có ma sát của môi trường, độ lệch cực đại (hay biên độ) sẽ giảm dần, sau một thời gian sẽ ngừng chuyển động. Ta gọi là dao động tắt dần. * Thiết lập phương trình Ta lấy ví dụ về dao động của lò xo để thiết lập phương trình dao động điều hoà. Lực đàn hồi gây ra gia tốc cho chuyển động dao động. Theo định luật Hooke: dhF = -k. x (1.5) 8 Theo định luật Niutơn II: am.F = . Ta có: 2 2 d xa dt = => 2 2 dt xdm.F = Hay: F = m. .. x ⇒: -k.x = m. ..x m. .. x + k.x = 0 (1.6) Đây là phương trình vi phân cấp hai có vế phải bằng 0. Vì m > 0 nên ta có thể chia cho m: kx .x 0 m . . + = Đặt 2k ωm = Ta có: 0.2 .. =+ xx ω (1.7) Giải ra ta được 2 nghiệm x1 = a.cos( αω.t + ) (1.8) x2 = a.sin( α'ω.t + ) (1.9) Trong đó: a, α ,α ' là những hằng số phụ thuộc vào điều điện ban đầu của bài toán. x: ly độ dao động a: ly độ dao động cực đại hay biên độ của dao động. a = xmax ứng với cos( αω.t + ) = ± 1 ( αω.t + ): là một góc, gọi là pha của dao động ω : tần số góc (tốc độ góc của vectơ biên độ dao động) m K ω 2 = ; T 2.π ω = t: Thời gian dao động. T: Chu kỳ dao động. Là thời gian để dao động thực hiện một dao động toàn phần. α : là góc, là pha đầu của dao động, ứng với t = 0 1.2. CHUYỂN ĐỘNG SÓNG 1.2.1. Định nghĩa Chuyển động sóng là sự lan truyền dao động trong một môi trường đàn hồi (môi trường có liên kết giữa các phần tử). 9 1.2.2. Sự truyền sóng Giả sử có một môi trường đàn hồi các phân tử liên kết với nhau bằng những lực đàn hồi (môi trường rắn, lỏng, khí). Do ngoại lực tác dụng, các phân tử này rời khỏi vị trí cân bằng và bắt đầu dao động. Các dao động này do các liên kết phân tử, được lan truyền sang các phân tử xung quanh. Như vậy khi có sóng truyền qua trong môi trường các vùng dãn, nén liên tiếp tuần hoàn trong không gian và theo thời gian. 1.2.3. Các loại sóng Khi truyền trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, dao động sẽ lan truyền về mọi phía với vận tốc như nhau. Để đơn giản ta chọn một phương nào đó, gọi là phương truyền sóng. Nếu phương truyền sóng mà các phần tử của môi trường dao động vuông góc với phương truyền