Giáo trình Vật lý lý sinh: Phần 1 - Nguyễn Minh Tân

Phần 1 cuốn giáo trình Vật lý lý sinh giới thiệu tới người đọc các kiến thức y vật lý cơ bản bao gồm: Cơ học; nhiệt động học; điện và từ; quang học; nguyên tử, phân tử và phóng xạ hạt nhân. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

l ộ G I Á O D Ụ C V À Đ À O T Ạ O rl>ẠI H Ọ C T H Á I N G U Y Ê N

N G U Y Ê N M I N H T Â N

B ộ G I Á O D Ụ C VÀ Đ Ả O T Ạ O ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

N G U Y Ễ N M I N H T Â N

G I Á O T R Ì N H

N H À X U Ấ T B Ả N Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G I A H À N Ộ I

S Á C H Đ Ư Ợ C X U Ấ T B Ả N B Ở I s ự TÀI T R Ợ C Ủ A D ự ÁN GIÁO D Ụ C Đ Ạ I H Ọ C 2

M Ụ C L Ụ C

Trang Lời nói đấu 7

2 T r ạ n g thái d ừ n g v à sự dịch c h u y ể n Entropi trong c á c h ệ t h ố n g sống 99

3 N ă n g lượng trong c á c p h ả n ứ n g h ó a sinh l o i

L Ờ I N Ó I Đ À U

Vật lý - Lý sinh là một ngành khoa học, sử dụng các công cụ Vật lý đê phát hiện và làm sáng tỏ bản chất, cơ chế, động lực của các hiện tượng, các quả trình sông; nghiên cứu tác động của các tác nhân vật lý lên cấu trúc và chức năng sinh lý của cơ thê; tìm kiêu nguyên lý chung của các phương pháp, kỳ thuật y - sinh học hiện đại đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong Y - Dược học

Với tiêu chí lấy người học làm trung tâm theo quan điểm cùa các phương pháp dạy - học tiên tiến, nhằm triển khai việc chuyển đổi sang đào tạo theo tín chỉ, kịp thời phục nhu câu học tập của sinh viên ngành Y, Dược và Điều dưỡng, đồng thời có thê làm tài liệu tham kháo cho các ngành học có liên quan, chúng tôi biên soạn cuốn Giáo trình Vật lý - Lý sinh này, dựa trên những bài giảng thường niên của Bộ môn, đông thời tham khảo các giáo trình Vật lý và Lý sinh của các trường Đại học Y khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội, Học viện Quân y, Học viện Y khoa Huế, Cao đẳng Y tế Hà Nội và nhiều tài liệu chuyên ngành có liên quan

Dựa trên chương trình khung do Bộ Giáo dục & Đào tạo quy định và căn cứ đặc diêm đôi tượng sử dụng, trong quá trình biên soạn chúng tôi luôn cô gắng tuân thủ nguyên tắc:

ỉ Cơ ban nhưng hệ thong

2 Phong phú nhưng tinh giản

3 Hiện đại nhưng thiết thực

Chúng tôi trân trọng cảm ơn và tiếp thu những ý kiến đóng góp quý báu và xác đáng của các PGS TS: Nguyễn Thành Trung, Nguyễn Văn Tư, Nguyễn Văn Sơn, Phạm Hồng Thủi; Các nhà chuyên môn: ThS Nguyên Trường Giang, ThS Nguyễn Văn Thiện giang viên Trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên trong quá trình biền soạn cuốn giáo trình này

Mặc dù đã hết sức cố gắng, song do những hạn chế khách quan và chù quan, nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Chúng tôi mong muốn và trân trọng biết ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp và các bạn sinh viên vê những ý kiên nhận xét, góp ý để cuốn sách được hoàn thiện

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 3 năm 2009

N g u y ễ n M i n h T â n

P H Ẩ N ì

NHỮNG KIẾN THỨC Y - VẬT LÝ cơ BẢN

•

1 Chuyến động tịnh tiến, chuyển động quay

Chuyến động tịnh tiến là những chuyển động không có sự thay đổi về

Lực hấp dần tác dụng từ m, lên m2 đồng thời từ m2 lên m, Nếu một trong 2

k h ố i l ư ợ n g n à y là k h ố i l ư ợ n g trái đ ấ t M v à b á n k í n h trái đ á t là R t h ỉ đ ộ l ớ n của

l ự c F t r o n g t r ư ờ n g h ợ p n à y là t r ọ n g l ư ợ n g p của v ậ t k i a

^ M m

F = P = G — 7 - = g m

R trong đó: g là gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s2

V ậ y : G i a t ố c là đ ạ i l ư ợ n g v e c t ơ b à n g đ ạ o h à m bậc n h ấ t c ủ a v e c t ơ v ậ n t ố c theo t h ờ i g i a n

5 Lục, công, năng lượng, công suất

Lực là nguyên nhân gây ra sự biến đổi trạng thái chuyển động của vật (là

trong đó: oe là góc hợp bởi phương của 2 vectơ F và s

- Nêu dọc theo quãng đường, giá trị của lực thay đổi thì phải tính vi phân

thái c h u y ể n đ ộ n g của m ì n h v à g ọ i là q u á n t í n h hay t í n h ỳ của v ậ t

Định luật l i Newton - Nguyên lý tác dụng

Các đại lượng: lực F, quãng đường s, vận tốc V, gia tốc a là những đại lượng vectơ, còn khối lượng m, thời gian ỉ là những đại lượng vô hướng

N h ữ n g đ ạ i l ư ợ n g v e c t ơ t u â n theo các p h é p b i ể u d i ễ n v à c á c p h é p t í n h v e c t ơ

9 Một số dạng chuyển động đặc biệt

Chuyển động thẳng biến đổi đểu

C h u y ể n đ ộ n g t h ẳ n g c ó V k h ô n g đ ổ i p h ư ơ n g , do đ ó an = 0 C h u y ể n đ ộ n g biên đôi n ê n a( ị 0

í a =0

C h u y ê n đ ộ n g t h ă n g b i ế n đ ố i đ ề u có <^ "

[ a , = c o n s t a=a,+an = a = const

Do đó: V = ịa.dt = át + c ở thời điểm đầu t = 0; thì V = v0

Ta có: V = v0 + át

s = J v d t = J(v0+at)dt; s = a.t2/2 + Vót + c

ơ t = 0 thì chát diêm đi được quãng đường s0; nghĩa là c = So

s = a.t2/2 + Vót + So; V2 - Vo2 = 2aS

dt

+ Có chiều được xác định theo quy tắc vặn nút chai: nếu quay cán vặn nút

chai theo chiều chuyển động của chất điểm thì chiều tiến hay lùi của thân vặn nút

chai là chiều của vectơ vận tốc góc

+ Đơn vị đo: rad/s

Hình 1.2: Vận tốc góc Gia tốc góc

3.3 Định lý vê sự liên tục của dòng

Đ ị n h lý: Với chất long lý tướng ơ trạng thái chảy dừng thì lưu lượng của nó

ở mọi thời điểm trên ống dòng là bằng nhau và bằng một hằng số

N h ư v ậ y l ư ợ n g h ồ n g c ầ u ả n h h ư ở n g r ấ t n h i ề u đ ế n TI của m á u N g ư ờ i t h i ê u

m á u v à n g ư ờ i b ì n h t h ư ờ n g c ó h ệ số Tì k h á c nhau

N g o à i ra h ệ số ĩ] c ũ n g nho ta b i ế t t ì n h t r ạ n g của c ơ t h ể B ì n h t h ư ờ n g ri của

h u y ế t t h a n h t ừ 1,64 - 1,69 ớ 2 0 ° c K h i ố m c ó t h ể t ừ 1,5 - 3 D o t ỷ l ệ v à c h ấ t

l ư ợ n g của c á c a l b u m i n t r o n g h u y ế t thanh thay đ ổ i

Bài 3 DAO ĐÔNG VÀ SÓNG

1 D a o đ ộ n g , d a o đ ộ n g đ i ề u h ò a ////<

Hình 3.1 Con lắc đơn

D a o đ ộ n g là m ộ t d ạ n g c h u y ể n đ ộ n g r ấ t

t h ư ờ n g g ặ p t r o n g đ ờ i s ố n g v à t r o n g k ỳ t h u ậ t T h í

d ụ : dao đ ộ n g của con lắc đ ồ n g h ồ , dao đ ộ n g của

c â u k h i xe lửa c h ạ y qua, dao đ ộ n g của d ò n g đ i ệ n

h ư ớ n g v ề vị trí c â n b à n g ( h ì n h 3.3) Hình 3.2 Đồ thị cùa một đại lượng dao

F = ma = m X

N g h ĩ a là: co (t + T ) + (po) - (cót + (po) = 271 hay CÓT = 2n

Nghĩa là: năng lượng dao động không đổi và tỷ lệ với bình phương biên độ

3 Dao động tắt dần, dao động cưỡng bức, hiện tượng cộng hưởng

Trong quá trình dao động, vật chịu tác dụng của lực ma sát của môi trường,

t r u y ề n t r o n g t o à n m ô i t r ư ờ n g đ à n h ô i

Hình 3.4 Dao động tát dân

đ ộ n g V ậ y tín h i ệ u m a n g n ă n g l ư ợ n g (của h ò n đ á ) v à m ộ t p h â n n â n g l ư ợ n g n à y

đ ã đ ư ợ c t r u y ề n t ừ A đ ế n B cho m ấ u g ỗ

V ậ y sự truyền tín hiệu bang sóng là sự lan truyền của tín hiệu (mang năng lượng), từ diêm này đến điếm kia trong một môi trường mà không có sự di chuyên thành dòng của các phần tử môi trường dọc theo phương thăng sóng

dao đ ộ n g của m ặ t t r ố n g , n h ư n g n ế u đ ể sát v à o m ặ t t r ố n g m ộ t c o n l á c n h ẹ ( m ả n h

b á c b u ộ c v à o sợi c h i ) thì con lắc bị bật ra, c h ứ n g t ỏ m ặ t t r ố n g dao đ ộ n g V ậ y

âm do các vật dao động phát ra v à đ ư ợ c lan t r u y ề n ra m ô i t r ư ờ n g d ư ớ i d ạ n g

s ó n g : Sóng âm

S ó n g â m là n h ữ n a dao đ ộ n g t r u y ề n t r o n g c á c m ô i t r ư ờ n g v ậ t c h á t đ à n h ô i ( r ă n , l ó n g k h í ) d ư ớ i d ạ n g s ó n g d ọ c S ó n g â m k h ô n g t r u y ề n t r o n g c h â n k h ô n g

C ă n c ứ v à o t ầ n số dao đ ộ n g của s ó n g â m , n g ư ờ i ta p h â n chia t h à n h s ó n g â m

6 Các thông số cơ bản của sóng âm

Chu kỳ dao động (T): là thời gian mà các phần tử vật chất chuyển động dao

Bước sóng (Ả): là đ ộ d à i của m ộ t c h u k ỳ dao đ ộ n g N ế u t ầ n số c à n g cao thì

f = 1000 H z thì I n g = 10-12 w / m2 N ế u ì l ớ n h ơ n m ộ t g i á trị g ọ i là n g ư ỡ n g đ a u

l ổ thì â m l à m đ a u t a i : I đ = 10 w / m2

Ảm sắc: C á c n h ạ c cụ k h á c n h a u c ó t h ể p h á t ra â m c ó đ ộ cao b ằ n g nhau ( c ù n g m ộ t n ố t " l a " c h ẳ n g h ạ n ) v à c ó c ư ờ n g đ ộ b ằ n g nhau, n h ư n g ta v ẫ n p h â n

b i ệ t â m " l a " của đ à n d ư ơ n g c ầ m v à â m " l a " của đ à n v ĩ c ầ m , v ì c h ú n g c ó â m s á c

k h á c nhau

V

— =const

T

3.3 Giới hạn ứng dụng của các định luật thực nghiệm

C á c đ ị n h luật B ô i lơ- M a r i ô t , Gay - L u y t x ắ c chỉ là c á c đ ị n h luật g ầ n đ ú n g

N ê u á p suất chất khí q u á l ớ n v à n h i ệ t đ ộ q u á thấp t í c h số p v v à c á c h ằ n g s ô h ơ i

k h á c nhau c h ú t ít, c h ú n g thay đ ố i tuy theo chất khí v à tuy theo n h i ệ t đ ộ

C h ú n g ta g ọ i khí lý t ư ở n g là chất khí h o à n toàn tuân theo ba định luật nói trên

N h i ề u chấ t k h í ở á p suất v à nhiệ t đ ộ tron g p h ò n g c ó t h ể co i là k h í lý t ư ở n g

4 P h ư ơ n g t r ì n h t r ạ n g t h á i của k h í lý t ư ớ n g

Xét một khối lượng khí M chuyển từ trạng thái ì mà qua các thông số là Pi,

V | , T , sang t r ạ n g thái l i c ó t h ô n g số là p2, v2, T2 qua trạng thái t r u n g gian c ó c á c

T a thấ y trị số B p h ụ t h u ộ c đ ơ n v ị đ o p , V , T v à p h ụ t h u ộ c k h ố i l ư ợ n g k h í M

v à b ả n chất khí ta xét

Theo định luật A v o g a d r o ở á p suất P0= l , O l 3 l 05 N / m2 n h i ệ t đ ộ T0= 2 7 3 13°K

t h ế t í c h của Ì k i l ô m o l của m ọ i chấ t k h í đ ề u b à n g Vo = 22,4 m3 V ậ y c ô n g th ứ c (*) v i ế t cho Ì k i l ô m o l t h ể tích Vo ta c ó :

P.Vo = R.T

1 Các khái niệm và thông số nhiệt động cơ bản

LI Nhiệt động học, hệ nhiệt động

1.3 Nhiệt độ, nhiệt giai

C a m g i á c c h ú quan cua c h ú n g ta cho b i ế t m ộ t v ậ t hay m ộ t m ô i t r ư ờ n g là

l ạ n h ấ m , n ó n g , N ó i c h u n g , c ả m g i á c p h ụ t h u ộ c v à o t r ạ n g t h á i t â m lý v à c h ủ

quan của n g ư ờ i q u a n sát, n h ư n g v ẫ n c ó đ ặ c t í n h p h ả n á n h m ộ t t r ạ n g t h á i k h á c h quan n à o đ ấ y N h i ệ t đ ộ là m ộ t đ ạ i l ư ợ n g v ậ t lý đ ư ợ c đ ư a ra đ ể đ ặ c t r ư n g cho

t r ạ n g t h á i n ó n g , l ạ n h của đ ố i t ư ợ n g m ộ t c á c h k h á c h quan, k h ô n g c ò n p h ụ t h u ộ c

v à o c á m g i á c c h ủ q u a n nữa

N h i ệ t đ ộ của m ộ t v ậ t liên quan chặt c h ẽ v ớ i sự c h u y ể n đ ộ n g h ồ l o ạ n ( c h u y ể n

đ ô n g B ơ - r a o ) của c á c n g u y ê n tử, p h â n t ử c ấ u tạo n ê n v ậ t đ ó N h i ệ t đ ộ c à n g cao thì

g ọ i là nhiệt năng của h ệ

N h i ệ t n ă n g c ó quan h ệ chặt c h ẽ v ớ i n h i ệ t đ ộ N h i ệ t đ ộ của h ệ c à n g cao thì c á c

p h â n t ứ c ấ u tạo n ê n h ệ c h u y ể n đ ộ n g c à n g nhanh v à n h i ệ t n ă n g của v ậ t c à n g l ớ n

c là nhiệt dung riêng của h ệ

- Công cơ học: H à n g n g à y k h i ta n â n g m ộ t v ậ t n ặ n g l ê n cao, c h è o t h u y ề n , lái

- Y nghĩa cua nguyên lý:

Ý nghĩa của nguyên lý khi áp dụng cho các hệ nhiệt động nói chune và các

h ệ t h ô n g s ô n g n ó i r i ê n g đ ư ợ c t h ê h i ệ n d ư ớ i 2 h ệ q u ả sau:

+ Hệ quá ì: Từ biếu thức AQ = AA + AU

Nêu: AQ = 0, tức hệ không được cung cấp năng lượng, thì: AA = -AU

Nghĩa là: nếu không cung cấp năng lượng cho hệ mà muốn hệ sinh côns thi

+ Hệ quả 2 (Định luật Héc xơ): H i ệ u ứ n g n h i ệ t của m ộ t q u á t r ì n h hoa học

2.2 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học

Nguyên lý một biểu diễn mối tương quan về lượng giữa các dạng năng

N g ư ờ i ta đ ị n h nghĩa: T ỷ số g i ữ a h i ệ u số đ ộ l ớ n của Y ở hai đ i ể m v à k h o ả n g

c á c h g i ữ a hai đ i ế m đ ó đ ư ợ c g ọ i là G r a d i e n của đ ạ i l ư ợ n g Y (grad)

t o à n t h ế t í c h T r o n g q u á t r ì n h đ ó m ộ t k h ố i l ư ợ n g k h í đ ã đ ư ợ c v ậ n c h u y ể n t ừ A sang B tức là h ệ đ ã t h ự c h i ệ n m ộ t c ô n g n à o đ ó C ô n g n à y đ ư ợ c x á c đ ị n h b à n g

Tính trật tự cua một hệ cô lập chi có thê giữ nguyên hoặc giảm dần

Không thế tồn tại trong tự nhiên một chu trình mà kết quả duy nhất là biến nhiệt thành công mà không đê lại một dâu vét gì ở xung quanh

Trong một hệ cô lập, chí những quá trình nào kéo theo việc tăng entropi mới

có thê tự diên biến Giới hạn của tự diên biến là hệ đạt đến trạng thái cổ entropi cực đại

" Y R

0

Hình 2.4 Sức căng mặt ngoài

1.2 Hiện tượng dính ướt và không dính ướt

N ế u c á c p h â n t ử c h ấ t l ó n g t i ế p x ú c v ớ i t h à n h b ì n h , th ì g i ữ a c á c p h â n t ử c h á t

l ỏ n g v à c h ấ t r ắ n sẽ x u ấ t h i ệ n lực t ư ơ n g t á c K h i lực t ư ơ n g t á c g i ữ a c h á t l ỏ n g v à

c h á t r ắ n l ớ n h ơ n lực t ư ơ n g t á c r i ê n g của chất l ỏ n g thì c h ấ t l ỏ n g c ó x u h ư ớ n g t ă n g

m ặ t t i ế p x ú c v ớ i v ậ t r ắ n v à lan t r ê n b ề m ặ t v ậ t r ắ n N g ư ờ i ta n ó i : c h ấ t l ỏ n g dính ướt v ậ t r ắ n ; n g ư ợ c l ạ i n ế u lực t ư ơ n g t á c g i ữ a chất l ỏ n g v à chất r ă n n h ỏ h ơ n l ự c

T r o n g c á c ố n g n h ỏ ( m a o q u ả n ) d ư ớ i t á c d ụ n g của á p suất p h ụ l à m c h i ề u cao

cua c ộ t chấ t l ỏ n g tha y đ ô i so v ớ i b ê n n g o à i n g ư ờ i ta g ọ i đ ó l à hiện tượng mao dẫn N ế u chất l ỏ n a l à m ư ớ t mao q u ả n , m ặ t k h u m l õ m chất l ỏ n g sẽ d â n g l ê n t r o n g

2 Hiện tượng bay hơi, hiện tượng sôi

2.1 Hiện tượng bay hơi

Nhiệt độ của khối chất lỏng càng cao, số phân tử có vận tốc lớn càng nhiều,

số p h â n t ử thoa m ã n đ i ề u k i ệ n bay h ơ i t ă n g l ê n do đ ó h i ệ n t ư ợ n g bay h ơ i x ả y ra

•/ V

- h

D

- Á p suất h ơ i b ã o hoa

Trong đó áp suất hơi bão hòa trong bọt khí chống lại

áp suât nén, áp suất thúy tĩnh và áp suất phụ Điều kiện sôi:

Pbh = Po + p„ + ÁP

r» _ r» Ì 20

Pbh = P o + p g h + ^

R Thông thường áp suất thúy tĩnh rất nhỏ so với áp suất

nén p0 coi Plt se 0 •

í 20 , X

Á p s u â t p h ụ A P = — , k h i n h i ệ t đ ộ c à n g t ă n g b ọ t h ơ i c à n g l ớ n d â n , v â y b á n

R kính R càng tăng, do đó ÁP càng giảm, thông thường ÁP « p0 có thể bỏ qua được

Vậy điều kiện sôi: pbh > P0

Nhiệt độ khối chất lỏng ứng với điều kiện sôi gọi là nhiệt độ sôi hay điểm sôi

Đôi với mồi chất lỏng ở điều kiện bình thường điểm sôi là một hàng số Do

đó nhờ vào tính chất này, ta có thể định tính các chất

Hình 2.9 Sự sôi

1 Điện trường, cường độ điện trường

Nêu trong khoảng không gian bất kỳ có mặt một điện tích q thì nó sẽ làm

C h ú n g đi ra t ừ đ i ệ n t í c h d ư ơ n g v à đi v à o đ i ệ n t í c h â m Đ ộ m a u t h ư a của

đ ư ờ n g sức t ạ i m ộ t đ i ể m cho ta b i ế t g i á trị của đ i ệ n t r ư ờ n g t ạ i đ ộ l ớ n hay n h ỏ

trong đó: dS là vi phân quãng đường (hình Ì 2)

Công này không phụ thuộc vào hình dạng