vật lý trong y học

Nếu hệ số ma sát tĩnh giữa tủ và sàn nhà là 0.45 thì cần tác dụng vào tủ một lực ngang tối thiểu là bao nhiêu để nó bắt đầu dịch chuyển?. Sự cân bằng và ổn định của vậtMômen quay Một

Vật lý trong y học

Vật lý nc?

• QL vận động của TG vật chất

• PP: lý thuyết, thực nghiệm

Lý Sinh học nghiên cứu?

• QL vật lý xảy ra và chi phối các quá trình sống

• Ảnh hưởng của những tác nhân Vật lý lên sự sống

• Ứng dụng các kết quả nc vào Y học

Mở đầu

* LÝ SINH Y HỌC

- Đối tượng : Cơ thể sống # ĐT VL: vật vô cơ

- Mục tiêu: Hiểu quy luật vận động từ thấp-> cao

- Vận dụng: can thiệp phù hợp vào cơ thể sống -> PP khám, phòng và trị bệnh

PHƯƠNG TiỆN CHẨN ĐOÁN

ĐiỀU TRỊ, CAN THIỆP

Máy cộng hưởng từ hạt nhân

Dao gamma

Máy gia tốc

Nội dung chính của môn học

IV Lý sinh hệ tuần hoàn

- Sự thay đổi huyết áp và vận tốc máu ở các loại đoạn mạch

- Các yếu tố ảnh hưởng đến huyết áp

Bài giảng 1

CƠ HỌC CHẤT ĐIỂM

CƠ HỌC CHẤT LƯU

Đo lường trong vật lý

Đơn vị: Hệ SI (1960)

Các đơn vị cơ bản

-> Đơn vị cơ dẫn xuất, dựa vào biểu thức

x t

Gia tốc

• Gia tốc: đặc trưng cho tốc độ thay đổi vận tốc

• Gia tốc trung bình:

• CĐ nhanh dần: v2 > v1 nên a cùng hướng với v

• CĐ nhanh dần: v2 < v1 nên a ngược hướng với v

1

2

t t

Tính chất chuyển động của xe là gì?

a CĐ thẳng đều

b CĐ nhanh dần đều

c CĐ chậm dần đều

v 2 − 0 2 = 2

0

v at

0 0

2

2

1

x t

v at

t v at

Rơi tự do

• Là CĐ rơi khi bỏ qua sức cản không khí

• Tính chất: CĐ nhanh dần đều với gia tốc g = 9,81 m/s2 Lưu ý: Các vật nặng, nhẹ đều rơi nhanh như nhau

(có cùng gia tốc là g)

Ở các công thức động học trên thế: a <-> g

Phi hành gia David Scott thả đồng thời một chiếc búa và một cái lông chim -> chúng chạm rơi và chạm vào bề mặt Mặt Trăng cùng lúc

• Mưa rơi từ đám mây ở độ cao 1200m so với mặt đất Nếu không bị sức cản

không khí làm chậm lại thì hạt mưa có vận tốc bao nhiêu khi chạm đất? Liệu có

an toàn không khi đi dưới trận mưa như thế?

gH v

v 2 − o 2 = 2

s m

gH

v = 2 = 2 × 9 8 × 1700 = 182 5 /

Lực (Forces)

• Lực đặc trưng cho tương tác giữa các vật với nhau

• Là đại lượng véctơ: điểm đặt, phương chiều, độ lớn

Tương tác có thể thông qua tiếp xúc trực tiếp hay qua trường



=

a m T

N

F  g +  +  = 

a m

F  = 

hay

ĐL I Newton

• Theo ĐLII: Hợp lực F = 0 thì a = 0 (tức v = 0 hoặc v = const)

• Phát biểu: Một chất điểm giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều chừng nào chưa có tác dụng bên ngoài buộc nó phải thay đổi trạng thái này

ĐL III

• Nếu hai vật tương tác với nhau, lực F21 do vật 2 tác dụng lên vật 1 thì bằng về độ lớn nhưng ngược chiều với lực F12 do vật 1 tác dụng lên vật 2

• F21 = - F12

Ví dụ

Một cái tủ (kể cả ngăn kéo và quần áo) có khối lượng 45 kg kê trên sàn nhà.

a. Nếu hệ số ma sát tĩnh giữa tủ và sàn nhà là 0.45 thì cần tác dụng vào tủ một

lực ngang tối thiểu là bao nhiêu để nó bắt đầu dịch chuyển?

b. Nếu bỏ ra ngăn kéo và quần áo với khối lượng 17 kg thì cần lực đẩy có độ lớn

tối thiểu là bao nhiêu?

Công có thể âm, dương hoặc bằng 0 tuỳ theo góc theta

θ

cos

.s

F

A =

Ví dụ: công của vài lực thông dụng

Ví dụ

• Một người đàn ông kéo một cái máy hút bụi với một lực 50 N, lực này hợp với phương ngang một góc 300 Tính công thực hiện của lực lực kéo khi người di chuyển về phí phải 3 m

s F

Sự cân bằng và ổn định của vật

Mômen quay

Một đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay vật

của lực gọi là mômen quay

* Khối tâm là điểm đặt của trọng lực trên vật

MF = F.d

* Vị trí khối tâm càng thấp và mặt chân đế càng rộng thì vật càng ổn định.

• Vị trí khối tâm của một người đứng thẳng (với tay để xuôi hai bên) cao cách bàn chân khoảng 56% chiều cao cơ thể Vị trí này thay đổi tuỳ theo tư thế của người Sự cân bằng đòi hỏi cơ thể phải duy trì sao cho khối tâm nằm trên mặt chân đế của chân, bằng không người sẽ bị ngã

Ví dụ

Một người nặng 70 kg, đứng ở tư thế như hình Xác định điều kiện

để lực Fa có thể làm ngã người này? Lấy g = 9,8 m/s2

• Lực tác dụng cần thiết để cân bằng với trọng lực của tải W bằng:

• Độ lợi cơ học M được định nghĩa là:

W

M = =

• ĐB loại 1: Đặt tải càng gần với điểm tựa (d1 << d2) thì M >> 1 -> lợi về lực

• ĐB loại 2: d1 < d2 nên M > 1

• ĐB loại 3: d1 > d2 nên M < 1

Đòn bẫy thuộc loại nào?

Loại 1

Ví dụ

• Một người giữ trên tay một quả cầu 50 N Cánh tay nằm ngang như hình Cơ nhị đầu bám vào xương cách tiếp điểm khủy tay 3 cm Quả cầu cách tiếp điểm khủy tay 35 cm Xác định lực (hướng lên) của cơ nhị đầu tác dụng vào cánh tay và lực (hướng xuống) do tay trên tác dụng vào tiếp điểm khủy tay

• Điều kiện cân bằng lực:

• Điều kiện cân bằng momen: MF – MP = 0

• Thay vào (1), được: R = 533 N

(1)

CƠ HỌC CHẤT LƯU

Khối lượng riêng

• Xét một nguyên tố thể tích có khối lượng

Khối lượng riêng của một số chất ở 20 0 C

Giày đi tuyết giữ cho bạn khỏi bị lún vào tuyết mềm bởi vì chúng làm phân bố trọng lượng cơ thể bạn lên một diện tích rộng làm giảm áp suất tác dụng lên mặt tuyết.

Công thức cơ bản của tĩnh học chất lưu

• Chọn mức 1 ở ngay mặt nước: y1 = 0, p1 = p0; mức 2 ở dưới mặt nước cách một khoảng h:

y2 = -h, p2 = p

• Áp suất p ở độ sâu h dưới mặt nước:

• Áp suất P tại độ sâu h dưới bề mặt của chất lỏng thông với khí quyển lớn hơn áp suất khí quyển một lượng

• Những nơi có cùng độ sâu sẽ có cùng áp suấtp = p 0 + ρ gh

gh

ρ

Đo áp suất

gh p

p = 0 + ρ

gh

p0 = ρ

Hg

1 atm là áp suất khí quyển ở 00C, h = 0,760 m,

khối lượng riêng Hg = 13595 kg/m3, g = 9,80665 m/s2

1.40 Một ống chữ U có tiết diện S, với một phần là dầu có khối lượng riêng Một khối trụ rắn (có kích thước vừa vặn với ống có thể trượt không ma sát với thành ống) được đặt vào nhánh phải Hệ cân bằng như hình Trọng lượng của khối trụ là:

Nguyên lý Pascal và đòn bẩy thủy tĩnh

• Một độ biến thiên áp suất tác dụng vào chất lỏng dang bị nhốt chặt được truyền không thuyên giảm cho mọi phần của chất lưu và cho thành bình chứa.

2 2

A

A A

P

12

Nguyên lý Archimedes

• Một vật nhúng hoàn toàn, hoặc một phần trong một chất lỏng (hay khí) thì bị đẩy lên với một lực bằng trọng lượng khối chất lưu mà vật chiếm chỗ.

g V

F A = ρ L cc

F2 – F1 = P

Ví dụ

• BT-1.22 Chừng một phần ba thân thể một nhà vật lý bơi trong Biển Chết ở trên mặt nước Giả sử rằng thân người có khối lượng riêng 0,98 g/cm3, hãy tính khối lượng riêng của nước Biển Chết (Tại sao nó lớn hơn 1,0 g/cm3 nhiều thế?).

• Giải

P

F A =

Vg g

(Người cần bằng nổi)

Bài tập

• Tản băng trôi chỉ nhô phần nhỏ lên mặt biển Do đó, các con tàu có thể gặp nạn ngay cả khi không đi gần tản băng Hãy tính tỉ lệ về thể tích chìm so với thể tích của toàn khối băng

kg

seawater

ρ

∆

Ví dụ

Tiết diện S1 của động mạch chủ (mạch máu lớn nhất từ tim ra) của một người bình thường đang đứng nghỉ là 3cm2 và tốc độ v1 của máu là 30cm/s Một mao mạch điển hình (đường kính 6 ) có tiết diện S2 bằng 3.10-7 cm2 và có tốc độ dòng v2 = 0,05 cm/s Hỏi một người phải có bao nhiêu mao mạch?

7

2

2 2

1

) / 05

, 0 )(

10 3 (

) / 30

s cm

cm v

S

v S n

Phương trình Bernoulli

• Chất lưu tĩnh:

• Ống nằm ngang (y1 = y2) :

• p1 = p2 = 1atm

• v2 = 0

2 1

2 1

2

1

gy gy

1

2 1 1

2

1 2

1

gy v

p gy

v

Ứng dụng

Thiếu máu lên não - TIA

A: động mạch chủ B: động mạch lớn

E: tĩnh mạch lớn

ĐỘ NHỚT VÀ ĐỊNH LUẬT POISEUILLE

Định luật Poiseuille

L

P P

R Q

η

π

8

) ( 1 2

Bảng độ nhớt của một số chất lưu

• Đơn vị là poise

• Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ, độ nhớt tăng khi nhiệt độ giảm

1.35 Cho rằng lưu lượng chất lỏng thực chảy qua một đoạn ống là 80 cm3/s Nếu tăng gấp đôi bán kính ống thì lưu lượng lúc bấy giờ là:

NHIỆT HỌC

Dòng dung nham nóng chảy xuống ở núi Kilauea, Hawaii Nhiệt độ cao của dung nham giảm dần từ trung tâm miệng núi lửa cho đến khi cân bằng nhiệt với xung quanh Những dung nham nguội sẽ hóa cứng hình thành nên các ngọn núi.

1 NHIỆT VÀ THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ

• Vật chất cấu tạo từ các nguyên tử và phân tử, chúng luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng

• Động năng trung bình của một phân tử cho bởi:

Do sự dãn nở vì nhiệt, mức thủy ngân trong nhiệt kế tăng lên khi thủy ngân được làm nóng bởi nước nóng trong ống.

Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Ví dụ

Sử dụng R = 8,2.10-5 m3.atm/mol.K và NA = 6,02.1023 mol-1 Hãy ước tính số phân tử trong 1m3 không khí ở nhiệt độ phòng 300K và áp suất khí quyển?

RT N

N PV

A

=

25 5

23

10

5 ,

2 300

10

2 , 8

1 1

10

02 ,

Nhiệt lượng – nhiệt dung riêng

Thí nghiệm: trao đổi nhiệt của vật nóng lạnh

Nhiệt lượng

Đợn vị: cal (nhiệt lượng để làm 1g nước tăng thêm 10C)

Nhiệt dung riêng (tỉ nhiệt)

Đơn vị: cal/gam.độ

) (

t mc

∆

t m

Q c

∆

∆

=

(t2 > t1) (t2 > t > t1)

Đơn vị nhiệt lượng

Đơn vị của nhiệt lượng là calo (kí hiệu cal)

Một calo (cal) là nhiệt lượng cần thiết để làm 1 gam nước tăng lên 1 0C

1 Cal = 4,186 J

Bảng nhiệt dung riêng của một số đối tượng

BT Một sinh viên được cung cấp 2000 kcal từ thức ăn Anh ta muốn thực hiện một công tương đương bằng việc nâng tạ

50 kg Hỏi anh phải nâng bao nhiêu lần để tiêu thụ hết năng lượng ấy? Cho rằng anh nâng tạ lên cao 2m cho mỗi lần nâng, và khi đưa tạ xuống anh không mất năng lượng.

• 1 kcal = 103 cal, 1cal = 4,186J

• Tổng công đòi hỏi có độ lớn:

• Công thực hiện khi nâng tạ khối lượng m lên độ cao h là mgh, và công thực hiện khi nâng tạ n lần là nmgh

• Nếu mỗi lần nâng tạ mất 5s, thì anh ta phải nâng tạ trong bao lâu để tiêu thụ hết lượng năng lượng đó?

h

12 3600

/ ) 8540 5

Chuyển pha

Nhiệt chuyển pha: Q = mL

L gọi là nhiệt chuyển pha riêng (cal/g)

Giản đồ pha của nước

Giản đồ pha của CO2

Trong đk nhất định, có thể hóa lỏng khí bằng cách nén khí đó

TRUYỀN NHIỆT

Nhiệt lượng dẫn qua trong 1 đơn

vị thời gian (hay tốc độ dẫn nhiệt)

Lượng nhiệt truyền bằng đối lưu trong một đơn vị thời gian

A là diện tích tiếp xúc với dòng đối lưu

T1 – T2: chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và dòng chất lưu

K’

c là hệ số truyền nhiệt bằng đối lưu

(hệ số này phụ thuộc vào vận tốc của dòng đối lưu)

Dòng đối lưu được thiết lập trong phòng có lò sưởi

H r = σ

8

10 67

H r = σ

Nếu vật bức xạ có diện tích A thì:

Ảnh bức xạ nhiệt của một ngôi nhà vào mùa đông,

có màu sắc từ trắng và vàng (khu vực mất nhiệt nhiều nhất) đến xanh và tím (vùng mất nhiệt ít nhất)

Ảnh bức xạ nhiệt (thermography)

• Ghi nhận cường độ bức xạ ở nhiều vị trí để dựng nên hình ảnh, những vùng có hoạt động chuyển hóa cao, như các khối u ác tính, có thể được phát hiện nhờ ảnh bức xạ nhiệt, do các khối u có nhiệt độ cao và do đó bức xạ mạnh hơn.

Bình thủy (Dewar Flask)

Q = r × = 125 × 10 60 = 7 , 5 10 4

Bài tập mẫu 8

Khi bỏ 0,5kg băng ở -100C vào 3kg nước trà ở 200C Hỏi nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp đó là bao nhiêu? Coi nhiệt dung riêng của nước trà bằng nhiệt dung riêng của nước Bỏ qua sự mất mát nhiệt vào môi trường và bình chứa.

Để đưa 3kg nước trà ở 200C xuống 00C cần giải phóng một nhiệt lượng:

KJ

C C

kg

J kg

C C

c

.

4186 )(

3 ( )

0 20

Giải

• Khi băng tăng nhiệt độ từ -100C đến 00C nó nhận một nhiệt lượng:

• Khi băng tan thành nước ở 00C nó nhận một nhiệt lượng:

C kg J

kg C

C c

mice ice[ 00 − ( − 10 )0 ] = ( 0 , 5 )( 2100 / 0 )( 100 ) = 10 , 5

Nhiệt mất của 3kg nước trà từ 200C đến t0C

Bài tập 2.8

Cho 20g đá ở 00C vào 30g nước nóng ở 1000C Hỏi nhiệt độ cân bằng của hệ là bao nhiêu? Biết nhiệt dung riêng của nước là 1cal/g.0C, nhiệt nóng chảy của đá là 80cal/g.

Bài tập

Một thỏi kim loại nặng 0,05kg được nung nóng đến 2000C, sau đó bỏ thỏi này vào cốc chứa 0,4kg nước có nhiệt độ ban đầu 200C Nếu nhiệt độ cân bằng của hệ là 22,40C, xác định nhiệt dung riêng của kim loại.

ĐS: 453J/kg.0C

Bài 3: SÓNG VÀ ÂM

Dao động và Sóng

• Dao động: chuyển động lặp đi lặp lại, có giới hạn trong không gian

• Dao động được lan truyền trong môi trường đàn hồi -> sóng

Dao động âm và sóng âm

Sóng dọc: các phần tử dao động cùng phương với phương truyền sóng

Sóng ngang: P dao động theo phương đứng, phương truyền sóng là phương ngang

Vận tốc truyền âm

• Tốc độ truyền âm phụ thuộc phụ thuộc vào môi trường truyền âm

• vkhí < vlỏng < vrắn

Biểu diễn Fourier

Thuộc tính của sóng

Phản xạ và khúc xạ

• Sóng tới vuông góc với mặt phân giới, tỉ số cường độ truyền qua so với cường độ tới cho bởi:

• It là cường độ sóng tới, Ip cđ sóng phản xạ, Iq là cường độ sóng truyền qua

1

2 2 1 1

4

v v

v

v I

I

t

q

ρ ρ

kg

2

( )2

2 1

2 1

4

Z Z

Z

Z I

2 1

Z

Z I

I

t p

Bảng âm trở của một số môi trường

Xác định % về cường độ của âm phản xạ so với âm tới khi sóng siêu âm truyền vuông góc từ không khí tới mô mềm cơ thể?

2

21

21

Z

Z I

I

t

1600000 429

% 9 , 99

Giao thoa

Giao thoa sóng ánh sáng qua hai khe hẹp

Giao thoa sóng nước

Nhiễu xạ

Nhiễu xạ qua một khe hẹp Nhiễu xạ qua lỗ tròn

Năng suất phân giải

Ảnh nhiễu xạ qua thấu kính (a) một nguồn điểm, (b) hai nguồn điểm vừa đủ để phân giải được

Nhiễu xạ qua thấu kính

Nhiễu xạ qua lỗ tròn

Tiêu chuẩn Rayleigh: Góc cực tiểu giữa hai điểm sáng

mà còn phân giải được trong nhiễu xạ qua lỗ tròn

λ : bước sóng ánh sáng

D : đường kính của lỗ tròn

(rad)

Kính thiên văn Hubble

Đường kính của vật kính 2,4 m Các tấm Pin mặt trời màu vàng dùng để thu năng lượng từ mặt trời

Kính hiển vi điện tử

SEM

Tần số âm phát ra bởi một đoạn dây

f: tần số (Hz)

L: chiều dài của đoạn dây (m)

T: lực căng của dây (N)

: khối lượng trên một đơn vị chiều dài của dây (kg/m)

µ

T L

đoạn dây có L và khác nhau µ

Cường độ âm

• Cường độ là tốc độ trung bình mà năng lượng được chuyển qua một đơn vị diện tích

2 2

2

1

A v

I = ρ ω (W/m2)

Các đặc trưng của cảm giác âm

Cường độ âm giảm theo bình

phương khoảng cách từ nơi

nhận âm đến nguồn phát âm

2

4 r

P I

π

=

21

1

4 r

P I

π

=

22

2

4 r

P I

π

=

21

222

1

r

r I

I

=

Sóng phẳng

Ở khoảng cách xa nguồn điểm, trong 1 không gian hẹp, mặt đầu sóng (mặt phẳng có pha dao động của các phần tử giống nhau) của sóng cầu coi là mặt phẳng.

Mức cường độ âm (dB)

• Mức cường độ âm định nghĩa như sau:

• I0 = 10-12 W/m2 là cường độ mốc tiêu chuẩn, (ngưỡng nghe trung bình của người ở tần số

W

m

W

120 10

log

10 /

10

/

1 log

Mức cường độ (dB) của một số âm

Ví dụ

Một nguồn điểm phát sóng âm có công suất trung bình là 80W

Giải

I I

10

I

I I

I I

Giải

HIỆU ỨNG DOPPLER

Hiện tượng

• Nếu người và xe đều đứng yên (vS = vD = 0) thì f’ = f

• Nếu người cđ về phía xe thì f’ > f

• Nếu người cđ ra xa xe thì f’ < f

Sự chuyển động tương đối của nguồn âm và của quan sát viên gây ra sự biến đổi tần số của âm nhận được

Khi nguồn chuyển động

Nguồn cđ vS về phía QSV A

QSV A nghe âm có tần số tăng

QSV B nghe âm có tần số giảm

Các gợn sóng được tạo ra bởi một nguồn điểm di chuyển về phía phải trong nước

Công thức hiệu ứng Doppler

• f’ là tần số máy thu nhận được

• vD là vận tốc chuyển động của máy thu

• vS là vận tốc chuyển động của nguồn sóng

• V là vận tốc truyền sóng trong môi trường

• Dấu của vD : nếu máy thu cđ về phía nguồn “+”

nếu máy thu cđ ra xa nguồn “-”

• Dấu của vS: nếu nguồn cđ về phía máy thu “-”

nếu nguồn cđ ra xa máy thu “+”

S

D

v v

v

v f

L

v v

v

v f

f



±

=

Ví dụ

Một xe cứu thương chuyển động về hướng đông với vận tốc 33,5 m/s Còi báo động trên xe cứu thương phát ra âm có tần số 400Hz Xác định tần số âm của người ngồi trên một xe đang chuyển động về hướng tây với vận tốc 24,6 m/s (a) khi xe tiếp cận đến xe cứu thương, (b) khi xe chuyển động ra xa xe cứu thương Lấy vận tốc truyền âm trong không khí là 343 m/s

S

D v v

v

v f

Tai và đáp ứng của nó

ĐỘ TO

Độ to: đvị là phon, và phụ thuộc vào cường độ và tần số âm

Độ to (phon) có giá trị = mức cường độ âm (dB) tại 1000 Hz

Xét đường cong

độ to 40 phon

Tại 1000Hz, cần 40 dB, để gây được độ to 40 phon.

Tại 100 Hz, cần 62 dB, mới gây được độ to 40 phon

->Tai người nhạy cảm với tần số 1000Hz hơn so với tần số 100Hz