医用物理学
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作者李光仲，王云创
出版社科学出版社有限责任公司
ISBN9787030371645
出版时间2012-08
装帧平装
开本16开
定价39元
货号7931634
上书时间2024-09-01
商品详情
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目录
绪论
第一章 生物体的力学特性
第一节 应变和应力
第二节 弹性模量
第三节 骨与肌肉的力学特性
第二章 流体的运动
第一节 理想流体的稳定流动
第二节 连续性方程
第三节 伯努利方程
第四节 黏性流体的流动
第五节 黏性流体的运动规律
第六节 血液在循环系统中的流动
第三章 振动与波
第一节 简谐振动
第二节 阻尼振动与共振
第三节 机械波
第四章 医用声学
第一节 声波
第二节 声学在医学中的应用
第三节 多普勒效应
第四节 超声波及其医学应用
第五章 液体的表面现象
第一节 表面张力
第二节 弯曲液面内外的压强差
第三节 肺泡的表面张力
第四节 毛细现象 气体栓塞
第六章 静电场及生物电现象
第一节 电场和电场强度
第二节 静电场中的高斯定理
第三节 电势
第四节 电偶极子与电偶层
第五节 静电场中的电介质
第六节 生物电现象
第七章 直流电与电的生物效应
第一节 直流电
第二节 基尔霍夫定律
第三节 电容器的充电和放电
第四节 交流电
第五节 电的生物效应
第八章 电磁现象及其生物效应
第一节 磁场 磁感应强度
第二节 电流的磁场
第三节 磁场对电流的作用
第四节 磁介质与超导体
第五节 生物磁场的生物效应及其医学应用
第九章 波动光学
第一节 光的干涉
第二节 光的衍射
第三节 光的偏振
第十章 几何光学
第一节 几何光学的基本定律
第二节 球面折射
第三节 透镜
第四节 眼睛
第五节 光学仪器
第十一章 X射线及其医学应用
第一节 X射线的产生
第二节 X射线谱
第三节 X射线的基本性质
第四节 物质对X射线的衰减规律
第五节 X射线在医学治疗及诊断方面的应用
第十二章 激光及其医学应用
第一节 激光的基本原理
第二节 激光器
第三节 激光的基本物理特性
第四节 激光的生物效应及医学应用
第五节 激光对人体的伤害与防护
第十三章 原子核物理及其医学应用
第一节 原子核的基本性质
第二节 原子核的衰变
第三节 放射性核素的衰变规律
第四节 射线与物质的相互作用
第五节 辐射剂量与防护
第六节 放射性核素在医学上的应用
第七节 磁共振成像
参考文献
附录
内容摘要
第一章 生物体的力学特性
学习要求
(1)掌握描述物体弹性的基本概念:应变、应力和弹性模量.
(2)理解应力与应变的关系以及弹性势能的概念.
(3)了解骨和肌肉的力学特性.
在任何力的作用下.体积和形状都不发生改变的物体叫做“刚体”(rigidbody).它是力学中的一个理想模型.在现实世界中.真正的刚体是不存在的.事实上任何物体受到外力.不可能不改变形状.物体在外力作用下发生的形状和大小的改变.称为形变(deformation).人体组织在力的作用下也会产生不同程度的变形.形变可分为两类:如果外力撤除后物体能恢复原状.这种形变称为弹性形变(elasticdeformation).如果外力撤除后物体不能恢复原状.则形变称为塑(范)性形变(plasticdeformation).
形变有伸长、缩短、切变、扭转、弯曲等多种类型.伸长和缩短合称为线变.线变和切变是弹性形变的两种基本类型.其他形变实际上是这两种形变的复合.
研究物体在形状和大小发生改变时的力学性质.不仅在工程技术方面.而且在生物医学方面.都是重要的.本章将首先介绍应变和应力的两个基本概念.然后找出它们之间的关系.并结合本章所研究内容通过人体骨骼、肌肉分析.对运动中人体骨骼与肌肉的力学特性进行初步讨论.
第一节 应变和应力
一、应 变
为了反映物体受到外力作用时发生形变的程度.将物体的长度、体积和形状的变化量与
其原有值之比.称为应变(strain).1..线应变 如图1￣1所示.当物体受到外力牵拉(或压缩)时.发生的长度改变量Δl与物体原来长度l0
的比值.称为线应变(linestrain).又称为张应变或压应变.用ε表示.即
图1￣1 线应变ε＝ΔLL 0 (1￣1)
2..切应变 物体受剪切力作用.发生只有形状变化没有体积变化的弹性形变称为切应变(shearingstrain).所谓剪切力是指大小相等、方向相反而作用线平行的一对力.如图1￣2所示.有一长立方体物体.它的下底面固定.其上下底面受到剪切力F作用.产生剪切.设两底面相对偏移位移为Δx.垂直距离为d.则剪切的程度以比值Δx/d来衡量.这一比值称
3..体应变 如图1￣3所示.当物体的体积由于受到压力而发生变化但形状不改变时.体
为切应变.用γ表示.即
γ＝＝tgφΔxd (1￣2)
在实际情况下.一般φ角很小.上式可写成
γ ≈ φ (1￣2a)
积的变化量ΔV与原体积V0 之比叫做体应变(volumestrain).用θ表示.即
θ＝ ΔV (1￣3) V0
以上这三种应变都是无量纲的.没有单位.它们只是相对的表示形变的程度.而与物体原来的长度、体积或形状都没有关系.
图1￣2 切应变图1￣3 体应变
二、应 力
正是由于力的存在才能使物体发生形变.所以说物体的形变与力是分不开的.当物体发生形变时.由于组成物体的微观粒子之间的相对位置发生改变.物体内各个相邻的部分之间存在着相互作用且大小与外力相等的弹性力.此力使物体具有恢复原状的趋势.我们用单位面积上的弹性力作为恢复趋势的定量表示.称为应力(stress).它的单位是牛顿..米-2
(N..m-2).对应上面三种应变.有着以下三种形式的应力.
1..张应力 对于横截面线度远小于其长度的直杆.当杆上受到的一对平衡外力的作用线与杆的轴线相重合时.杆的主要形变是纵向伸长或缩短.在拉伸应变的情况下.如图1￣4所示.应用截面法假想将杆截为两部分.取左边部分为分离体.则杆上任意截面m￣m上的内力(横截面上分布的内力系的合力.即弹性力)为F′＝F(轴向拉力).设杆的截面的面积为S.横截面单位面积上的弹性力叫做张应力(tensilestress).用符号σ表示:
F
σ＝ (1￣4)
S
在张应变的情况下.物体内部的任一横截面上会有张力存在.被这横截面所分开的两端物体将互相受到张力的作用.分布于此横截面上的总力是和物体两端的拉力相等.
某一点的张应力.则用求导数的方法.即
σ＝ lim ΔF＝ dF (1￣4a)
Δs→0ΔS dS
如果物体两端受到的不是拉力而是压力.物体的长度缩短.张应力此时为负值.也可称为压应力(compressivestress).
2..切应力 当物体发生切变时.物体上下两个底面受到与底平面平行但方向相反的外力的作用.物体中的任一与底面平行的截面将把物体分成上下两部分.上部分对下部分有一与上底面的外力大小相等方向相同的力的作用.它们都是与截面平行的剪切力.剪切力F与截面S之比.称为剪切应力(shearingstress).剪切应力也称为切应力.以符号τ表
示.有
τ ＝ F S (1￣5)
某一点的切应力则为
τ＝limΔs→0ΔFΔS＝dFdS (1￣5a)
3..体应力 当物体受到来自各个方向的均匀压力.且物体是各向同性时.例如.球形的物体.可发生体积的变化.此时物体内部各个方向的截面上都有同样大小的压应力.或者说具有同样的压强称为体应力(volumestress).因此体应力可以用压强P表示.
总之.应力就是作用在物体单位截面积上的内力.与截面正交的应力叫做正应力.如张应力和压应力.与截面平行的应力称为切应力.应力反映物体发生形变的内力情况.在复杂形变中.截面上各点的应力不一定相等.方向也可以和截面成某一角度.因此可以同时受到切应力和正应力作用.
第二节 弹性模量
应力与应变之间存在着密切的函数关系.这种函数关系称为材料的本够关系.它是材料力学的重要内容.
一、弹性和塑性
在一定的形变限度内.去掉外力后物体能够完全恢复原状的.这种物体称为完全弹性体.物体能够恢复变形的特性为弹性.若外力过大.外力除去后.有一部分变形将不能恢复.这种物体称为弹塑性体.外力除去后变形不能恢复的特性称为塑性.
对不同材料.应力与应变之间的函数关系不同.但有其共同特征.图1￣5表示一个典型的张应变和张应力之间的函数关系曲线.在拉伸的开始阶段(oa).应力与应变成正比.从a点以后.拉伸曲线开始弯曲.说明应力与应变的正比关系被破坏.所以曲线上的a点称为材料的正比极限(proportionallimit).在ab段.应力与应变不再成正比例关系.但在此范围内.外力除去后材料可以恢复原状.这种形变叫弹性形变.b点称为材料的弹性极限.b点以后属于塑性的范围.应变在此范围时.外力除去后.将沿oa平行的方向卸载.材料不能恢复原状(oc′段).表现为永久变形.当应力达到d点时.材料断裂.把d点称为断裂点(fracturepoint).断裂点的应力称为材料的抗张强度(tensilestrength).图中bd是材料的塑性(范性)范围.若d点距b点较远.即εb
与εd-PP PK＝θ -ΔV/V0 ＝-V0ΔV (1￣8)
式中负号表示体积缩小时压强是增加的.体变模量的倒数.称为压缩率(compressibility).记为k1ΔVk＝ K ＝-pV0
(1￣9)
物质的k值越大.越容易被压缩.部分材料的体变模量和切变模量见表1￣2.
表1￣2 一些常见材料的体变模量和切变模量
物质体变模量K(109 N..m-2)切变模量G(109 N..m-2)铝7025铜12040铁8050
玻璃熔英石3630钢15880钨―140木材―10骨―10水银25―水2..2―乙醇0..9―
弹性模量表示物体变形的难易程度.弹性模量越大.物体越不容易变形.例如.钢的杨氏模量为20×1010
N..m-2、切变模量为8×1010 N..m-2.人骨骼的杨氏模量为15×109 N..m-2、切变模量为3..2×109
N..m-2.正如图1￣5所表示的那样.当物体所受作用力较小时.应力与应变成正比.比例系数―
―弹性模量为常数.但当所受作用力较大时.应力与应变表现为非线性关系.其弹性模量与变形有关.不再为常量.一般称弹性模量与物体变形有关的物体为非线性弹性体.大多数生物材料均为非线性弹性体.
例1￣1 股骨是大腿的主要骨骼.如果成年人股骨的最小截面积是6×10-4
m2.问受压负荷为多大时将发生碎裂?又假定直至碎裂前.应力￣应变关系还是线性.试求发生碎裂时的应变.抗压强度σc＝17×107
N..m-2)
解:导致骨碎裂的作用力
F＝σc..S＝17×107 × 6 × 10-4 ＝ 1.. 02 ×
105(N)这个力是很大的.约为70kg重的人体所受重力的15倍.但如果一个人从几米高处跳到坚硬的地面上.就很容易超过这个力.根据骨的杨氏模量Y＝0..9×1010
N..m-2.可求碎裂时的应变σc17×107
ε＝＝＝0..019＝1..9%
Y 0.. 9 × 1010
由此可见.在引起碎裂的负荷下.骨头的长度将减少1..9%.
三、弹性势能
被拉伸或压缩的弹簧.内部各部分之间的相对位置发生了变化.也具有势能.不只是弹簧.任何发生弹性形变的物体.如卷尽了的发条、拉弯了的弓、正在支撑运动员起跳的撑杆等.也都具有势能.在它们恢复原状的时候都能对外界做功.这种势能叫做弹性势能.
当物体受到外力作用发生弹性形变时.构成弹性体的原子、分子或离子间的距离将发生变化.因而.外力要反抗内力做功.外力做功的结果增加了弹性体的弹性势能.物体获得的弹性势能Ep
等于外力反抗弹性力所做的功.可以证明
EP ＝A＝ 21 kx2 (1￣10)
此式即为弹性势能公式.
第三节 骨与肌肉的力学特性
骨骼与肌肉是人体的主要承载系统和做功单元.骨骼与肌肉的力学特性是目前生物力学研究的主要内容之一.
一、骨的成分及特性
人体的骨骼主要由胶原蛋白、无机盐、胶合物质和水组成.就重量而言.无机盐约占70%.胶原纤维占20%.其他占10%.胶原纤维具有较大的抗张强度.在骨中构成支架.无机盐结晶附着在支架表面.具有较大的抗压强度.这一结构与钢筋混凝土颇为类似.混凝土抗压强度高而抗张强度低.钢筋的抗张强度高.在混凝土中埋入钢筋后.就大大增强了它的抗张强度和抗压强度.成为较理想的建筑材料.组成骨的各成分的杨氏模量和强度见表1￣3.
表1￣3 组成骨的各成分的杨氏模量和强度
压缩或拉伸压缩 骨及其成分密质骨 杨氏模量(1010N..m-2)1..02 强度(107N..m-2)14..7
无机盐成分 0.. 64 4.. 4
胶原蛋白成分 <0..001 0.. 01
拉伸 密质骨 2.. 24 9.. 8
无机盐成分 1.. 66 0.. 5
胶原蛋白成分 0.. 02 0.. 7
二、骨的力学结构与功能特点
人体骨骼的功能很多.从力学的角度看.它主要起着支持、运动和保护各种器官.提供坚实的动力交接和肌肉连接.便于肌肉和身体的活动等作用.例如.腿骨具有最明显的支持功能.腿骨系统加上肌肉支持者人体.骨关节能使一根骨与另一根骨相对运动.正是有些关节才使步行和各种运动成为可能.有些骨骼起着保护人体精细部位的重要作用.如头颅骨保护脑和几个重要的感觉器官.它是一个非常坚硬的容器.肋骨形成一个保护笼.以保护心脏和肺.脊柱骨除起支持作用外.它还像一根电缆鞘.给脊髓提供易弯曲的屏障.
骨的功能决定于它的形状、内部结构和它的组成部分.有些骨骼是中空的管状骨.例如.
精彩内容
本书以学科、课程发展与改革的成果为依托，以提高医学生的科学素养为目的，将思想性、科学性、优选性、适用性结合起来，突出医用物理学的医用特点，注重体现物理学理论、方法、技术在医学领域中的应用，以提高学生的学习兴趣，有利于学生的自主学习。本书共分十三章，基本覆盖了医学各专业所需的物理学基本知识及其在医学中的主要应用，该书可作为高等医学院校七年制、五年制及高职专科临床、口腔、影像、麻醉、预防、检验、护理、康复治疗技术、药学、眼视光、生物医学工程等专业教学，也可作为参考书供生命科学有关专业的师生和研究工作者使用。
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