Ответы по курсу физики

№ 1 Электростатика — раздел физики, изучающий электрические заряды тел и их взаимодействие между собой. Закон Кулона: «сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними»: F = k· ?Q1·Q2?/r?. (Кл). Закон сохранения заряда: «алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остаётся неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы». Электрическое поле — поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. Напряжённость эл. поля — векторная величина, равная отношению силы, действующей на положительный точечный заряд, помещённый в данную точку, к этому заряду. Е=1/ 4??0· q1/r? (Н/Кл, В/м).

№ 2 Работа по перемещению заряда в электрическом поле: работа сил электрического поля представляют разностью потенциальных энергий, которыми обладает точечный заряд в начальной и конечной точках поля заряда. А12=¼??0· qq0/r1−¼??0·qq0/r2 = U1-U2. Потенциал — физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещённого в эту точку: ?= ¼??0· q/r. Потенциал — физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда при удалении его из данной точки в бесконечность: ?=Абесконечность/q0 (В). Разность потенциалов двух точек 1 и 2 — работа, совершаемая силами поля, при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2: ?1-?2 = интеграл от 1 до 2 по Еdl = интеграл от 1 до 2 по Еldl.

№ 3 Проводники — тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Виды: проводники 1-го рода (металлы) — перенесение в них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями, проводники 2-го рода (растворы кислот) — перенесение в них зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведёт к химическим изменениям. Диэлектрики (стекло) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды. Полупроводники (кремний) — занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Поляризация — процесс ориентации диполей или появления под действием электрического поля ориентированных по полю диполей. Электронная поляризация (деформационная) с неполярными молекулами заключается в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счёт деформации электронных орбит. Ориентационная поляризация (дипольная) с полярными молекулами заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряжённость электрического поля и ниже температура. Диэлектрическая проницаемость — величина, показывающая, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, характеризуя количественно свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

№ 4 Электроёмкость определяется зарядом, сообщение которого проводнику изменяет его потенциал на единицу С = q/?. Она зависит от формы и размеров проводника, но не от заряда и потенциала. Конденсатор — устройство, обладающее способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать значительные по величине заряды, то есть обладать большой ёмкостью. Он состоит из 2-х проводников, разделённых диэлектриком (2 плоские пластины, 2 цилиндра, 2 сферы). В зависимости от формы проводников конденсаторы бывают плоские, цилиндрические и сферические. Ёмкость плоского конденсатора — физическая величина, равная отношению заряда, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его проводниками: С = q / (?1-?2). Соединения конденсаторов: 1) параллельное (?А — ?Б = const, U1=U2=…=Un, q=q1+q2+…+qn, C = ?Ci).

2) последовательное (U = q/C = U1+U2+…+Un, q=СU=C1U1=CnUn, 1/C = ?1/Ci, ?? = ???i).

№ 5 Постоянный ток — ток, сила и направление которого не изменяются со временем: I=q/t. (А). Плотность тока — физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через поперечное сечение проводника, перпендикулярного направлению тока: j = I/S (А/м?). Закон Ома для участка цепи: «сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка» I=U/R (А). Соединения сопротивлений: 1) параллельное (I=I1+In, U=Un, 1/R=1/R1+1/Rn), 2) последовательное (I=In, U=U1+Un, R=R1=Rn).

№ 6 Закон Ома для полной замкнутой цепи: «сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи». I = Е/(R+r). Е-электродвижущая сила — отношение работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к величине этого заряда. Работа электрического тока: А = UIt = Uq = I? Rt (Вт· ч) — произведение силы тока на напряжение и на время протекания тока по цепи. Мощность тока: P = A/t = IU (Вт) — отношение совершённой работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.

№ 7 Электролитическая диссоциация — распад молекулы растворённого вещества в результате взаимодействия их с молекулами растворителя (рекомбинация). Степень диссоциации молекул — отношение числа диссоциированных молекул к общему числу растворённых молекул в растворе:? = n/n0. Она зависит от: 1) природы электролита и растворителя, 2) температуры: она прямо пропорциональна Т, 3) концентрации: она обратно пропорциональна С. Слабые растворы почти полностью диссоциированы. Электролиз: положительные катионы подходят к катоду, получают от него недостающие электроны и выделяются на катоде в виде нейтральных атомов. Отрицательные анионы отдают аноду лишний электрон и выделяются в виде нейтральных атомов (радикалы). Ионы металла покрывают металлическим слоем. Ионы газа выделяются. Явление электролиза — выделение на электродах вещества электролита в результате разложения вещества электрическим током. Законы Фарадея: I з-н: «количество вещества, выделившееся на электроде пропорционально заряду или количеству электричества, прошедшему через электролит»: m=kq. II з-н: «электрохимический эквивалент пропорционален химическому эквиваленту, то есть прямо пропорционален атомному весу и обратно пропорционален числу, выражающему его химическую валентность»: k=?/F, ?-химический эквивалент (каппа): ?=A/z, А-атомный вес, z-валентность. Объединённый з-н Фарадея: m = 1/F· A/z·q, (m = 1/F· A/z·It). F — число Фарадея, F= 96 500. Это количество электричества, прошедшее через электролит, если на электродах выделится вещество в количестве, равном одному химическому эквиваленту.

№ 8 Клетка — основная биологическая структурная единица, элементарная живая система. В клетке происходит: 1) Химич. метаболизм и биосинтез, 2) Аккумуляция энергии и её преобразование из химич молекулы АТФ в химич. и механич. работы. Все энергетические и биосинтетические функции клетки возможны в открытых неодноместных системах: 1) внутри клетки должен сохраняться определённый химич. состав и структура, то есть она должна быть упразднена от внешней среды, 2) но должен происходить транспорт веществ в клетку и из клетки. Обе эти функции выполняет биологическая мембрана — полупроницаемая мембрана, отделяющая клетку от внешней среды. Мембрана не является пассивной оболочкой. Она принимает прямое и очень важное участие во всех функциях клетки. Мембрана — двойной липидный слой, в котором имеются одиночные белковые молекулы. Молекула липида состоит из отрицательной или положительной гидрофильной головки и нейтрального гидрофобного хвоста. Белки похожи на липидный слой. Степень погружения белков различна. 20−30% поверхности мембраны свободны от белков. В мембране имеются каналы, через которые происходит диффузия молекул и ионов. Перенос веществ может происходить без затраты энергии клетки (пассивный транспорт) и за счёт энергии, выделяемой в клетке молекулами АТФ (активный транспорт). Пассивный транспорт обусловлен осмосом, диффузией и облегчённой диффузией. p = g· q·h — осмотическое давление. Проникновение растворителя в раствор через полупроницаемую перегородку называется осмосом. Давление, которое растворённое вещество оказывает на полупроницаемую перегородку, назыв. осмотическим и определяется формулой Вант-Гоффа: pосм. = с· RT/M. c — концентрация раствора. Растворы с одинаковыми осмотич. давлениями назыв. изотоническими. Высокое осмотич. давление назыв. гипертоническим, а меньшее — гипотоническим. Диффузия — явление самопроизвольного переноса вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. В клетках и тканях ускорение свободной диффузии достигается увеличением поверхности переноса и градиента концентрации. Облегчённая диффузия — диффузия через липидный бислой в с помощью переносчиков или через каналы. Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента, осуществляемый клеткой за счет энергии метаболических процессов, называют активным транспортом. Активный транспорт присущ только биологическим мембранам, благодаря ему в течение всей жизни организма сохраняется пространственная гетерогенность (отличие внутриклеточной среды от внеклеточной, отличие одних клеток от других). Активный перенос вещества через мембрану происходит за счет свободной энергии, высвобождающейся в ходе химических реакций внутри клетки.

№ 1. Гидродинамика. Ур-ние неразрывности потока. Ур-ние Бернулли. Работа пульверизатора и водоструйного насоса

Гидродинамика — раздел механики, изучающ дв-ие несжимаемой жидкости и её взаимодейств с окружающ твёрдыми телами. Идеальная жидкость — несжимаемая жидкость, плотность которой во всех точках потока остаётся постоянной; не вязкая жидкость, пренебрегают трением слоёв жидкости. Линия, касательная, в каждой точке, которая указывает направлен скорости жидкости в этой точке наз.-линией тока. Линии тока не пересек-ся между собой. Если вектор скорости остаётся постоянным в кажд точке пространства, то такое течение наз-ся стационарным. Часть жидкости, ограниченная линиями тока наз. — трубкой тока.

S1V1=S2V2 — Ур-ние неразрывности потока — для данной трубки тока произведение площади поперечного сечения трубы на скорость течения жидкости есть величина постоянная. Ур-ние Бернулли (закон сохранения энергии для жидкости).

Физич величина, определяемая нормальной силой, действующ со стороны жидкости на единицу площади наз — давлением. 1Па = давлению, создаваемому силой в 1Н равномерно распределяющемуся на поверхности площадью 1 м? перпендикулярно к ней. (g??½)+gqh1+p1=(g??2/2)+gqh2+p2 g??/2- удельная кинетическ энергия или гидродинамическ давление, обусловленное скоростью жидкости. gqhудельная потенциальн энергия или гидростатическ давление, или весовое давление, обусловленное высотой подъёма жидкости. pстатическое давление, обусловленное внешними силами.

Полное давление, равное сумме гидродинамического, весового, статического давлений в любой части потока есть величина постоянная. Существуют приборы, которые работают на основе Бернулли. Пульверизатор, водоструйный насос. Пульверизатор состоит из вертикальной трубки и горизонтального сопла. Вертикальная трубка опущена в жидкость, а по соплу подувают воздух. Давление в струе воздуха, протекающего над отверстием трубки, меньше атмосферного. Поэтому атмосферное давление заставляет жидкость подниматься по вертикальной трубке. Попадая в струю воздуха, жидкость распыляется. Для увеличения эффективности пульверизатора сечение конца сопла делают меньше сечения остальной его части, вследствие чего скорость потока воздуха на выходе из сопла увелич-ся и всасывающее действие струи воздуха возрастает. Водоструйный насос — резервуар, в который впаяны 2 трубки. В 1-ю трубку под давлением протекает вода, попадая во 2-ю трубку. В суженой части 1-й трубки давление понижается и становится меньше атмосферного. Поэтому в резервуаре создаётся разряжение. Трубку присоединяют к резервуару, который идёт в сосуд, из которого необходимо откачать воздух. Насос служит для получения небольших разряжений.

№ 2. Течение вязкой жидкости. Уравнение Ньютона и Пуазейля

При течении реальной жидкости отдельные её слои движутся с разной скоростью, взаимодействуя друг с другом силами, касательными к слоям жидкости, которые препятствуют перемещению одной части жидкости относительно другой. Это явление наз-ся внутренним трением или вязкостью.

Проявление сил внутреннего трения объясняется разной скоростью слоёв и тепловым движением молекул. Перепад скорости по оси х перпендикулярно движению жидкости наз.- градиентом скорости по оси х. Градиент скорости показывает, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою по направлению х перпендик. направл. слоёв. Закон Ньютона для вязкой жидкости: Fградиент скорости; dv/dxградиент скорости по оси х; Sрассматриваемая площадь поверхности слоёв; - коэффициент пропорциональности, который зависит от рода жидкости и наз.- динамической жидкостью. Знак «-» показывает, что сила вязкого трения направлена против скорости жидкости. =1ПА*С — динамическая вязкость среды, в которой при ламинарном течении и градиенте скорости с модулем 1м/сна 1 м возникает сила внутреннего трения в 1н на 1 м² поверхности касания слоёв. Бывают жидкости: ньютоновскими - если коэффициент вязкости зависит от температ. и не зависит от градиента скорости и перепада давления в сосуде, то жидкость ньютоновская. Неньютоновская — если коэффициент вязкости зависит от градиента скорости и перепада давления в сосуде, то жидкость неньютоновская. Кровь — неньютоновская жидкость — это вязкая жидкость, суспензия красного цвета, состоящая из плазмы и содержащихся в ней кровяных телец. Ур-ие Пуазейля: R-радиус трубы, — коэффициент вязкости; - градиент давления по длине трубы. гидравлическое сопротивление. Чем больше гидравлическое сопротивление, тем меньше расход жидкости.

№ 3. Ламинарное и турбулентное течение. Методы измерения давления крови

Сущ-ют 2 режима движения жидкости. Течение вязкой жидкости может быть ламинарным или турбулентным. Ламинарное движение — течение жидкости, при котором отсутствует перемешивание соседних слоёв потока. Оно стационарное. Для него справедливо ур-ние Бернулли и Пуазейля. Причиной того, что слои жидкости не перемешив-ся, явл-ся разница между скоростями слоёв жидкости в соответствии с законами Бернулли. Между слоями возникает разность давлений, и частицы жидкости переходят из слоёв, где давление больше, в слои, где давление меньше. Ламинарное течение энергетически более выгодно. Турбулентное движение — не стационарное, в кажд. точке скорость меняется, сопровождается звуковым сигналом. При увеличении градиента скорости и самой скорости возникают большие поперечные перепады давления, слои жидкости завихряются. Число Ренольса: Re = (?· ?ср·d)/?, где ?.- плотность жидкости, ?ср — средняя скорость жидкости по трубе, d — диаметр трубы,? — коэффициент вязкости. Если число Ренольса < 1000, то движение ламинарное, если > 1000, но < 2000, то переход от ламинарного к турбулентному, если > 2000, то турбулентное движение. Методы измерен давления крови: 1) непосредственный — связан с потерей крови и болевыми ощущениями. При этом у животных артерию обнажают, надрезают и в разрез вводят изогнутую трубку (канюлю), представляющ. собой трубку Пито. Её соединяют с манометром, позволяющим вычерчивать кривую изменения давления крови в артерии. 2) манжетный — основан на прослушивании шумов, создаваемых пульсовыми волнами. 3) эффект Доплера — под манжетку на поверхность тела накладывают излучатель и приёмник ультразвука. На артерию направляют ультразвуковую волну. Когда давление в манжете становится меньше систолического, артерия разжимается и стенки её начинают двигаться, и при отражении ультразвуковой волны от движущейся стенки происходит изменение частоты ультразвука (эффект Доплера), который воспринимается спец прибором. Давление в манжете после эффекта Доплера соответствует диастолическому давлению. 4) электронные измерители давления.

№ 4. Сила Стокса. Методы измерения коэффициента вязкости методом Стокса и капиллярного вискозиметра

Метод Стокса: для более вязких жидкостей используют вискозиметры, основанные на измерении скорости падения в жидкости маленьких шариков. Закон Стокса: сила сопротивления Fс (сила Стокса), действующая на шарик при движении его с небольшой скорости в неограниченной вязкой жидкости (при большом удалении его от стенок сосудов), пропорциональна радиусу шарика, коэффициенту вязкости шарика R и скорости движения шарика Fc=6?R?. Пусть в жидкости падает шарик массой m. На него действуют сила тяжести mg=?Vg=(4/3)?R??g (?-плотность материала шарика), выталкивающая архимедова сила Fа=?жVg=(4/3) ?R??жg (?ж-плотность жидкости), сила Стокса, под действием которых шарик приобретает ускорение ma=mg-Fа-Fс. По мере падения шарика скорость его возрастает, что приводит к возрастанию силы Стокса. Через определённое время шарик достигает такой скорости, при которой его ускорение делается равным нулю и движение шарика становится равномерным. mg=Fa+Fc, или 4/3?R?g (?-?ж)= 6?? R?. Отсюда коэффициент вязкости: ?=2/9· ((?-?ж)/?)·gR?. Метод капиллярного вискозиметра: в основе его закон Гагена-Паузейля. Вискозиметр представляет собой U-образную трубку, одно из колен которой имеет капилляр, чтобы поток жидкости в нём был ламинарным. Определённый объём исследуемой жидкости вливают в широкое колено прибора, а затем с помощью груши засасывают жидкость через колено с капилляром так, чтобы уровень жидкости поднялся выше отметки А. Затем, убрав грушу, наблюдают за движением жидкости в этом колене. Когда уровень её проходит через отметку А, включают секундомер, а когда жидкость проходит через отметку Б, секундомер выключают. Так узнают время t движения фиксированного объёма жидкости V через капилляр. Движение происходит под действием гидростатического давления p1-p2=?gh, h-разность уровней жидкости в двух коленах прибора. Коэффициент вязкости исследуемой жидкости:

№ 5. Физические закономерности движения крови в сосудистой системе. Атеросклероз. Пульсовая волна

Гемодинамика — раздел биофизики, использующий законы гидродинамики для описания движения крови в сердечнососудистой системе. Сечение капилляров в 800 р больше, чем сечение аорты. Скорость в капиллярах в 1000р меньше, чем в аортах. Вся жизнедеятельность человека проходит через капилляры. Аорта и артерия имеют эластичные стенки из коллагенов. Выходя из аорты, кровь движется далее по разветвляющимся элементам кровеносной системы и, попадая в капилляры, выполняет свою основную ф-ю — снабжает кислородом кл тканей и забирают от них продукты метаболизма. Часть кинетической энергии жидкости переходит в потенциальную энергию упругих деформированных стенок, далее пульсация прекращается, клапан закрыт. Но внутренние стенки гонят кровь. Часть потенциальной энергии стенок тратятся на передвижение жидкости, т. е.переходит в кинетическую энергию, а часть переходит в потенциальную энергию соседних деформированных участков трубы. Деформация стенок распространяется вдоль сосуда и образует пульсовую волну. Скорость пульсовой волны — E — модуль Юнга для материала, из которого сделана труба; D и dеё внешний и внутренний диаметр; p — плотность жидкости в трубе. Скорость волны не связана со скорость крови. Скорость пульсовой волны = 10м/с больше скорости крови. Атеросклероз — утолщение или уплотнение стенок артерий, что ведёт к потере эластичности и сужению просвета, а это в свою очередь к нарушению равномерности потока крови, ухудшению снабжения питательных вещ-в кл. т.к.расход крови должен оставаться постоянным, то с уменьшением радиуса сосуда растёт давление, что приводит к гипертонии. В нормальных усл. течение крови ламинарное, оно может переходит в турбилярное при нарушении. Например: сужение сосудов, при не полном открытии или закрытии клапанов сердца, появление сердечных шумов, сильных ударов при прослушивании. При ламинарном течении шумов нат.

№ 6. Сердце как механическая система

Сердце явл. осн. источником энергии обеспечив. движ-е крови в сосуд. системе. Оно переводит хим. энергию, заключённую в молекулах АТФ, ОБРЗУЮЩИХСЯ В СЕРДЕЧНой МЫШЦе, в мех. работу, т. е. представляет собой хемоэлектромехан. насос. 2 половинки связаны кровен. сосудами. Сокращение сердечной мышцы создаёт разность давления в артериальной и венозной системе, благодаря сему возникает дв-е крови. Фаза сокращения сердца наз-ся систолой, фаза ослабления — диастолой. Работа за одно сокращение — работа на преодоление вязкости в сосудистой системе. Е1-Е2 =А, где, А — работа сердца, Е1 — энергия аорты, Е2 — энергия вены. Объём крови, выбрасываемый сердцем в минуту наз-ся минутным объёмом кровотока, котор. равен систолическому объёму, умноженному на число сердечных сокращений в минуту. А=V· (?1+(?·??)/2),? — разность между систолическим и диастолическим давлениями,? — скорость изгнания крови из сердца,? — плотность крови. Скорость и давление в аорте больше чем в вене. В малом круге кровообращения кровь встречает значительно меньшее сопротивление, чем в большом круге, следовательно, скорость большая, а плотность маленькая. Давление в правом желудочке равно 1/5 давления в левом желудочке. А=Аб.кр.+Ам.кр., А=6/5· ?лев.жел.·V+?·??·V, ?=1,05· 10? кгм?, V=580 мг, ?ср=0,5 мс. ?лев.жел=3990 Па, А=2,93Дж.

№ 7. Колебания. Условия возникновения колебаний. Гармонические колебания и их характеристики. Скорость и ускорение

Колебания — движения или процессы, которые повторяются во времени. Условия возникновения колебаний: 1) наличие устойчивого положения системы, т. е. возникновение возвратной силы при отклонении системы из состояния равновесия. 2) наличие энергии у системы. 3) силы трения должны быть достаточно малы. Гармонические колебания — колебания, при которых колеблющиеся величины (скорость, ускорение) изменяются со временем по закону синуса или косинуса. S=A· cos(?t+?). Характеристики: Период колебаний Т — минимальный промежуток времени, через который повторяется колебание. Амплитуда колебаний А — максимальное отклонение тела от положения равновесия. Частота колебаний ? — число колебаний за единицу времени: ?=1/T (Гц). Циклическая частота ? — число колебаний за 2? в секунду:? = 2? = 2?/T (Гц). Начальная фаза колебаний — ?.

№ 8. Затухающие, вынужденные колебания. Резонанс. Период математического и пружинного маятников

Затухающие колебания — колебания, которые затухают с течением времени при понижении амплитуды из-за потерь энергии колебательной системы. Благодаря силе трения мех энергия переходит в тепловую энергию. Затухающие и незатухающие колебания происходят под действием внутренних сил, без действия внешней периодической силы и называются свободными. Частота свободных колебаний наз. собственной частотой колебания системы. Вынужденные колебания — колебания тела, возникающие под действием периодически изменяющейся силы. Система совершает колебания с частотой вынужденных колебаний. Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты изменения внешней силы, действующей на систему, с частотой собственных колебаний. Он зависит от трения среды (чем трение меньше, тем больше резонанс). Математический маятник — идеализированная система, состоящая из материальной точки m, подвешенной на невесомой нерастяжимой нити, и колеблющаяся под действием силы тяжести. (шарик на нитке). T=2?· корень из l/g (c) — период, l — длина маятника. Пружинный маятник — груз массой m, подвешенный на абсолютно упругой пружине и совершающий гармонические колебания под действием упругой силы. T=2?· корень из m/k (с) — период, k — коэффициент упругости, m — масса груза.

№ 9. Волны в упругой среде. Длина волны. Интенсивность волны. Скорость волны

Волны — колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Волновой процесс— процесс распространения колебаний в сплошной среде. Упругие волны— механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. При распространении волны частицы среды не перемещ-ся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной передаётся лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн независимо от природы явл-ся перенос энергии без переноса вещества. Различают механические волны, электромагнитные волны и волны на поверхности жидкости. В твёрдых телах, внутри жидкости и газа волны возникают благодаря силам упругости, а на поверхности жидкости — благодаря силе тяжести и силе поверхностного натяжения. Упругие волны бывают поперечные, если колебания совершаются в направлении, перпендикулярном распространению волны. Они возникают в твёрдых телах и на поверхности жидкости благодаря деформации сдвига и продольные если колебания совершаются в направлении распространения волны. Они возникают в твёрдых телах, внутри жидкости и газах благодаря деформации растяжения и сжатия. Длина волны ? (м) — расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одной фазе. За один период волна проходит расстояние, равное одной длине волны. За 1 период волна проходит расстояние, равное одной длине волны. Интенсивность волны — энергия, переносимая через единичную площадь за единицу времени: I=W/St (Дж/м?с). Скорость волны: ?=?/T=1/T=?/t (м/с).

№ 10. Звуковые волны. Звуковое давление. Отражение и поглощение звука

Звук — субъективное ощущение, которое возникает в результате воздействия на слуховой аппарат человека и животного звуковых волн — колебательных движений, распространяющихся в упругой среде. Звук хар-ся высотой, громкостью и тембром. Тон — звуковые колебания, происходящие с определённой частотой и не меняющиеся с течением времени. Обертон — колебания с n-кратной частотой основного тона. Высота звука определ-ся частотой основного тона (чем больше частота, тем выше звук). Громкость звука опр-ся амплитудой колебаний, т. е. интенсивностью звука (чем больше интенсивность, тем звук громче). Тембр — набор спектров частот; опр-ся обертонами; это качество звука, его окраска, которая независимо от основных частот и интенсивности (высоты и громкости) позволяет различать источники звука друг от друга. Звуковое давление — добавочное (избыточное) давление над средним давлением окружающей среды (н-р атмосферным), образующееся в акустической среде. P=A??c, где Аамплитудное колебание волны,? — циклическая частота,? — плотность среды, сскорость распространения звуковой волны в веществе. Отражение звука. При падении звуковой волны на границу раздела двух сред часть её отражается, а часть преломляется и переходит в другую среду. Коэффициент отражения r — отношение интенсивного отражения волны к интенсивной падающей. r = Iотр. / Iпад. Формула Реллея: r = (?2c2-?1c1 / ?2c2+?1c1)?, где с1 и с2- скорости распространения звуковой волны 1-й и 2-й среды, ?1 и ?2- плотности 1-й и 2-й среды. Поглощение звука, где I0- интенсивность звука до поглощения, Iинтенсивность звука после поглощения, хтолщина поглотителя, ?- коэффициент поглощения, который зависит от вещества поглотителя и частоты падающего звука, е= 2,7, знак «-» показывает на то, что интенсивность убывает.

№ 11. Уровень интенсивности звука. Громкость. Закон Вебера — Фехнера

Органы слуха у чел. и жив. воспринимают аккустич. колебания в опред. диапазоне частот и опред. диапазоне интенсивности. Ухо чел. может воспринимать при частоте 1кГц с интенсивностью не менее 10 в -12 степени Вт/м ^2/. Эта чувствительность соответствует нижнему порогу слышимости. Максимальная интенсивность волны, воспринимаемая субъективно как звук = 10Вт/м² и наз. болевым порогом. Уровень интенсивности звука L= (Б) 1дБ=10 Б. Уровень громкости определяет восприятие звука, ур-нь громкости определяется Законом Вебера — Фехнера:

К — коэффициент пропорциональности, зависит от частоты и нижнего порога слышимости. Физ. величина интенсивности звука созд у чел субъективное ощущение громкости, которое опред. чувствит. уха к воздействию звуковой волны. Чувствит уха зависит: от физической особенности чел; от частоты; от интенсивности.

№ 12. Шум. Инфразвук и их влияние на живые организмы

Шум- звук, спектральная хар-ка которого явл-ся сплошной (треск, шипение), беспорядочно изменяющийся во времени частоты и амплитуды. Шум вызывает раздражение нервной системы человека и животного, нарушает нормальные физиологические функции их организмов, неблагоприятно влияет на человека и животного. Для нормальной жизнедеятельности шум не должен превышать 30 дБ (децибел). Абсолютное отсутствие шума также приводит к нарушению нервной системы, нарушению слухового аппарата, циркуляции крови, нарушению работы органов внутренней секреции, сердечнососудистой системы. При 70−80 дБ у свиноматок прекращ-ся лактация, а у кур-несушек — снижение сноски яиц. Инфразвук — механические колебания и волны, частоты которых ниже 20- Гц. Он действует на вестибулярный аппарат человека и животного, вызывает колебания некоторых органов (печень, почки) и резонанс приводит к ощущению боли, затруднению дыхания и т. д. Колебания сердца могут привести к разрыву сердечных сосудов (инфаркт).

№ 13. Ультразвук, его биологическое действие и применение в медицине и ветеринарии

Ультразвук - упругие колебания и волны, частоты которых выше 20- кГц. Его применяют в медицине и ветеринарии: 1) диагностика (УЗИультразвуковое исследование). 2) терапия: при лечении суставов, сухожильно-связочного аппарата, мышечных отрофей и т. д. Основной метод лечения — фонофорез — метод введения некоторых лекарственных веществ в организм через кожу с помощью ультразвука. 3) хирургия: для удаления опухоли в мозговой ткани; для рассечения и сварки мягких тканей; для проведения операций в дыхательных органах, в пищеводе без вскрытия грудной клетки; в кровеносных сосудах — для разрушения холлестириновых утолщений; для сварки костей и сверления в них отверстий.

№ 1 Основные положения молекулярно-кинетической теории. Давление газа. Основное ур-ние МКТ. Температура

В основе МКТ лежат 3 положения, каждое из которых доказано на опыте. 1) все вещ-ва состоят из молекул, а молекулы из атомов.2) молекулы нах-ся в состоянии непрерывного хаотического дв-я. 3) молекулы взаимодействуют между собой. Доказательством этих положений служит закон постоянных отношений, Броуновское дв-е, диффузия, наличие межмолекулярных сил и агрегатное сост-е вещ-в. В МКТ идеальным газом наз-ся газ, который состоит из молекул, взаимодействие между которыми мало и его можно не учитывать. Реальные газы ведут себя подобно идеальному при больших разрежениях, т. е.когда расстояние между молекулами много больше размеров самих молекул. В простейших моделях газа молекулы рассматриваются как материальная точка. Движение отдельных молекул подчиняется закону Ньютона, но в целом разряжённый газ законам классической механики не подчиняется. Газ, заключённый в сосуд, оказывает давление на стенки сосуда, за счёт ударов молекул о стенки. Давление газа пропорционально концентрации молекул n и сред. кинетической энергии Wк поступательного движения молекул. Основное ур-ние МКТ — Клаузиуса: р = 2/3· n·Wк. Температура — величина, характеризующая направление теплообмена. Для измерения её используют шкалу Цельсия и шкалу Кельвина. Шкала Кельвина отличается от шкалы Цельсия физической сущностью и началом отсчёта, т. е. прибавляется 273? к температуре Цельсия.

№ 2 Газовые законы. Ур-ние состояния идеального газа, Клапейрона — Менделеева

Газовые законы: 1) Закон Бойля-Мариотта: для данной массы газа при постоянной температуре произведение газа на его объём есть величина постоянная: pV=const при T=const и m=const (процесс изотермальный). 2) Закон Гей-Люссака: а) объём данной массы газа при постоянном давлении изменяется линейно с температурой: V=V0(1+?t) при p=const и m=const (процесс изобарный), б) давление данной массы газа при постоянном объёме изменяется линейно с температурой: p=p0(1+?t) при V=const и m=const (процесс изохорный). 3) Закон Авогадро: моли любых газов при одинаковых температуре и давлении занимают одинаковые объёмы: Nа=6,02· 10? моль-? — постоянная Авогадро. При нормальных условиях V=22,4· 10-? м?/моль. 4) Закон Дальтона: давление смеси идеальных газов равно сумме порциальных давлений входящих в неё газов: p=p1+p2+…+pn. Идеальный газ — газ, при котором выполняются требования: 1) собственный объём молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объёмом сосуда, 2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия, 3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие. Состояние идеального газа определяется параметрами: давление, объём, температура. Ур-ние состояния идеального газа: р = 2/3· n·Wк, Wк=3/2· KT (ур-ние Больцмана), К=1,38· 10-?? — постоянная Больцмана. Ур-ние Клапейрона — Менделеева: PV=m/M· RT, где Pдавление, Vобъём, mмасса, M, молярная масса, Rгазовая постоянная, Tтемпература.

№ 3 Явление переноса. Диффузия. Теплопроводность. Вязкость

Явление переноса — особые необратимые процессы в неравновесных системах, в результате которых происходит перенос энергии (теплопроводность), массы (диффузия), импульса (вязкость). Диффузия — самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей, твёрдых тел. Диффузия сводится к обмену масс частиц этих тел, возникает и продолжается пока существует градиент плотности. Явление диффузии для химически однородного газа подчиняется закону Фика: jm= -D· (d?/dx), где jmплотность потока массы, Dкоэффициент диффузии, d?/dx — градиент плотности, «-» значит, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности. Теплопроводность — процесс распространения теплоты от более нагретых частей системы к менее нагретым, не сопровождающийся переносом массы вещества или излучением энергии в виде электромагнитных волн. Передача теплоты путём теплопроводности описывают законом Фурье: кол-во теплоты? Q, переносимое через поверхность S, перпендикулярно направлению оси OX, вдоль которого убывает температура, пропорционально площади этой поверхности, времени переноса? t и градиенту температуры? T/?x: ?Q= - ЛS· (?T/?x)· ?t. «-» значит, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры. Вязкость — механизм возникновения внутреннего трения между параллельными слоями газа, жидкости, движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее уменьшается, движущегося медленнее — увеличивается, что приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее. jp= -?· (d?/dx), где jpплотность потока импульса, d?/dx — градиент скорости,? — динамическая вязкость. «-» значит, что импульс переносится в направлении убывания скорости.

№ 4 Влажность воздуха. Абсолютная и относительная влажность. Методы измерения влажности

Влажность воздуха — содержание водяного пара в воздухе. Абсолютная влажность — кол-во водяного пара в единице воздуха: а = mH2O / V (кг/м?), PV=(m/M)· RT: V, p=Q· (RT/M)=(m/V)·RT/M. Абсолютная влажность — порциальное давление водяного пара при данной температуре. Относительная влажность — отношение абсолютной влажности, содержащейся в воздухе при данной температуре, к тому кол-ву пара, которое необходимо для насыщения этого воздуха. B=a/a0· 100%. Относительную влажность определяют с помощью гигрометра и психометра.

№ 5 Термодинамика. Равновесное состояние. Обратимые и необратимые процессы. Внутренняя энергия термодинамической системы

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются закономерности тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Термодинамическая система — совокупность макроскопических тел, которые могут обмениваться между собой и внешней средой веществом и энергией. Если такой обмен существует только между телами, образующими систему, то система наз-ся изолированной. При наличии обмена с внешней средой говорят об открытой системе. Равновесное состояние (термодинамическое равновесие) — состояние системы, в которое она самопроизвольно приходит через большой промежуток времени при условии, что эта система изолирована от окружающей среды. Релаксация — процесс установления термодинамического равновесия. Термодинамический процесс — переход системы из одного равновесного состояния в другое в результате её взаимодействия с внешними телами. Обратимый процесс — процесс, который может протекать в прямом и обратном направлениях, причём так, что система возвращается в исходное состояние без того, чтобы в окружающих телах происходили какие-либо изменения, а возвращение проходит через ту же последовательность промежуточных состояний, что в прямом процессе, но в обратном порядке. Необратимый процесс — процесс, при котором энергия, хотя бы частично, превращается в теплоту, т.к. часть энергии, перешедшая в теплоту при прямом процессе, не может вернуться в систему самопроизвольно при обратном процессе. Внутренняя энергия (U) — суммарная кинетическая и потенциальная энергия взаимодействия всех частиц системы. В идеальных газах изменение внутренней энергии связано с изменением температуры, которая определяется изменением средней кинетической энергии хаотического движения частиц системы.

№ 6 Кол-во теплоты. Теплоёмкость (ур-ние Майера)

Кол-во теплоты — часть внутренней энергии, переданной системой (или системе) в процессе теплообмена: Q=?U+A. Кол-во теплоты считают положительным, если теплота передаётся от внешних тел к системе. Приведённое кол-во теплоты — отношение кол-ва теплоты, полученного или отданного системой, к температуре, при которой происходит теплообмен (Q/T). Удельная теплоёмкость — кол-во теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на 1 К (1?С): С=Q/(m· ?T) (Дж/кг· К). Она зависит от рода вещ-ва и от условий процесса. Молярная теплоёмкость — кол-во теплоты, необходимое для нагревания одного моля на один кулон: См = Q/(?· ?T) = Q/((m/M)· ?T) (Дж/М· К), См = С· М. Ур-ние Майера: Cp=Cv+R, где Cpмолярная теплоёмкость газа при постоянном давлении, Cvтеплоёмкость газа при постоянном объёме, Rмолярная газовая постоянная.

№ 7 Работа при изменении объёма. Первое начало термодинамики. Применение к изохорному и изобарному процессу

Полная работа, совершаемая газом при изменении его объёма, находится по формуле: А = интеграл по V1 до V2 от p· dV. Она справедлива для всех изменений объёма твёрдых, жидких и газообразных тел. Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии): кол-во теплоты, переданное системе, идёт на изменение внутренней энергии и на работу против внешних сил. Q=?U+A, где? Uкинетическая энергия молекул, Аработа, Qтеплоты, переданное системе. Изохорный процесс: V=const, А=0, Q= ?U=Cvm· (m/M)·?T.

Изобарный процесс: p=const, Q= Cpm· (m/M)·?T, ?U=Cvm· (m/M)·?T, А=p· ?V, Q= ?U+A.

№ 8 Применение первого начала термодинамики к изотермическому и адиабатному процессу. Закон Пуассона

Изотермический процесс: T=const, ?U=0, A=Q=m/M· RT·ln (V2/V1)= m/M· RT·ln (p1/p2).

Адиабатный процесс — процесс, при котором отсутствует теплообмен между системой и окружающей средой: Q=const, A= -?U= Cvm· (m/M)·?T.

Ур-ние Пуассона: pV =const, ?- коэффициент Пуассона, ?= Cp/Cv=(i+2)/i.

№ 9 Теплопродукция организмов. Удельная теплопродукция

Живой организм выделяет теплоту в окружающую среду за счёт энергии, полученной от продуктов питания или от фотосинтеза, а также выполняет различные виды работы: 1) химическая работа — синтез высокомолекулярных вещ-в (белки) из низкомолекулярных (жиры, углеводы). 2) механическая работа — выполняется мышцами при их сокращении и затрачивается на перемещение всего тела или его отдельных органов против внешних механических сил. 3) электрическая работа — генерирование биопотенциалов, при возбуждении в нервных клетках. 4) осмотическая работа — транспорт вещ-в через клеточную мембрану против направления градиента концентрации этих вещ-в. 5) работа по оптическому высвечиванию — свечение организмов, некоторые из которых могут светиться довольно значительно (светляки). Энергия, образующаяся при окислении продуктов питания, выделяется в виде теплоты и делится на первичную (выделяется сразу после окисления) и вторичную (в результате мышечной деятельности).

№ 10 Терморегуляция в живом организме. Особенности живого организма как термодинамической системы. Тепловой баланс организма. Первое начало термодинамики для живого организма

Существует 4 механизма, определяющих тепловое равновесие в организме. Это явления теплопроводности, конвекции, теплового излучения и испарения. Теплопроводность — процесс распространения теплоты от более нагретых частей системы к менее нагретым, не сопровождающийся переносом массы вещества или излучением энергии в виде электромагнитных волн. Передача теплоты путём теплопроводности описывают законом Фурье: кол-во теплоты? Q, переносимое через поверхность S, перпендикулярно направлению оси OX, вдоль которого убывает температура, пропорционально площади этой поверхности, времени переноса? t и градиенту температуры? T/?x: ?Q= - ЛS· (?T/?x)· ?t. «-» значит, что при теплопроводности энергия переносится в направлении убывания температуры. Интенсивность теплового потока кол-ва теплоты, переносимая в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярна к этой поверхности. Jt = -Л· (?T/?x), ?T/?xградиент температуры, Лкоэффициент теплопроводности. Конвекция — передача теплоты в жидких и газообразных телах путём перемешивания нагретых и холодных слоёв, связанная с перемешиванием массы вещ-ва. Она происходит только в направлении уменьшения температуры. Интенсивность теплового потока, передаваемого от нагретой поверхности к окружающей среде, при установившемся процессе пропорциональна разности между температурой поверхности и средней температурой среды: Jk=?· (Tn — Tc), ?- коэффициент теплопередачи. Тепловое излучение — атомы и молекулы любого тела излучают электромагнитные волны, уносящие с собой часть внутренней энергии тела. Интенсивность излучения повышается при увеличении внутренней энергии и температуры тела. Jиз = ??(Тк? — Тв?), где Тктемпература кожи, Твтемпература воздуха, ?- поправочный коэффициент, ?- постоянная Стефона= 5,6· 10-… Испарение - количество теплоты, выделяемой организмом. Потери тепла, связанные с испарением, зависят: от активности физиологических процессов, от температуры, от её влажности. Особенности живого организма как термодинамической системы: поддержание постоянной температуры тела у высших животных связано с наличием у них центра терморегуляции. Температурными датчиками системы терморегуляции служат рецепторы, находящиеся в коже и слизистых оболочках. В рецепторах возникает раздражение, вызываемое повышением или понижением температуры, которое сигнализирует в ЦНС о направлении и интенсивности теплового потока. Кожа принимает основное участие в теплообмене. Под действием тепла усиливается потоотделение, которое способствует повышению теплоотдачи, а также выведению из организма вредных продуктов метаболизма. Тепловой баланс организма: т.к. внешние условия, а также физиологические процессы могут меняться в определенных пределах, то для поддержания стационарного температурного состояния живые организмы в ходе эволюции выработали определенные механизмы, которые могут немного понижать или повышать температуру, увеличивая или уменьшая теплообмен с внешней средой. Так, при охлаждении животного в его клетках увеличивается скорость гидролиза АТФ и в мышцы поступает дополнительная энергия. У животных взъерошиваются волосы, между волосами увеличивается воздушная прослойка, что приводит к уменьшению обмена теплотой между животным и средой. При повышении температуры среды в организме возникают процессы, приводящие в действие термопонижающие центры, в результате чего происходит расширение кровеносных сосудов, увеличение потоотделения, учащение дыхания.

№ 11 Энтропия. Свойства энтропии. Второе начало термодинамики и его применение в биологии

Для характеристики состояния термодинамической системы Клаузиус ввёл понятие энтропии меры беспорядка состояния системы. Энтропия — мера необратимого рассеяния энергии и представляет собой ф-ю состояния термодинамической системы. dS=dQ/T, (S)=Дж/к. Свойства энтропий:1) энтропия — величина аддитивная, т. е. энтропия системы равна сумме энтропий отдельных элементов.2) если в изолированной системе происходит обратимые процессы, то её энтропия остаётся неизменной.3) если в изолированной системе происходит необратимые процессы, то её энтропия возрастает.4) энтропия изолированной системы не может уменьшаться. Второе начало термодинамики говорит о том, что в изолированной системе процессы протекают в направлении возрастания системы. Живой организм не может быть изолирован от окружающей среды, т.к. он поглощает кислород, воду и питательные вещ-ва. Если изолировать организм, т. е. лишить его пищи и кислорода, то это смерть. Существование биологических изолированных систем невозможно. Они могут быть только открытыми, т. е. системами, в которых обмениваются с окружающей средой энергией и вещ-вом. Организмы, в процессе своего развития, непрерывно, за счёт обмена вещ-в, создаёт из менее упорядоченных систем более упорядоченные — энтропия уменьшается — это не противоречит второму началу термодинамики, т.к. он сформулирован для изолированной системы. Полное изменение энтропии: ?S=?Si+?Se, ?Siизменение энтропии, связанное с необратимыми процессами в организме, ?Seизменение энтропии вследствие взаимодействия с окружающей средой. ?Si>0, т.к. связано с выделением тепла организмом. ?Se>0, то высокомолекулярное соединение разрушается, смерть. ?Si= -?Se.

№ 12 Применение второго начала термодинамики к тепловым двигателям. КПД теплового двигателя.

Тепловой двигатель представляет собой систему, работающую за счет внешних источников тепла, которая периодически повторяет тот или иной термодинамический цикл и преобразует теплоту в механическую работу. Тепловой двигатель состоит из нагревателя, сообщающего ему количество теплоты Q1, рабочего тела и охладителя, в который отводится количество теплоты Q2. Работа, совершаемая двигателем, равна А= Q1+Q2. Из второго начала термодинамики следует, что невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение всей теплоты, полученной нагревателем, в эквивалентную ей работу. Поэтому не может существовать теплового двигателя, в котором часть тепла не отводилась бы в охладитель. Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют величину ?=(Q1-Q2)/Q1. Поскольку Q2 не может быть равно нулю, то КПД теплового двигателя всегда меньше единицы. Это утверждение может служить одной из формулировок второго начала термодинамики. Живые организмы — это своеобразные тепло вые двигатели, получающие теплоту в результате происходящих в них экзотермических реакций, в которых участвуют биологические макромолекулы. Как и любой тепловой двигатель, живой организм выделяет теплоту и совершает работу. Особое значение в термодинамике имеет тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, который состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатических процессов. Рабочее тело (идеальный газ) совершает работу за счет теплоты, подводимой к нему в изотермическом процессе; при обратном изотермическом процессе часть теплоты уходит от рабочего тела. КПД такого двигателя: ?м=(T1-T2)/T1, где Т1 и Т2 — температуры нагревателя и охладителя. КПД цикла Карно является максимальны значением для КПД любого реального двигателя, работающего в тех же условиях.