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=1/4??0·qq0/r1-1/4??0·qq0/r2 = U1-U2. Потенциал - физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещённого в эту точку: ?= 1/4??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= 96500. 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 1м? перпендикулярно к ней. (g??1/2)+gqh1+p1=(g??2/2)+gqh2+p2 g??/2- удельная кинетическ энергия или гидродинамическ давление, обусловленное скоростью жидкости. gqh- удельная потенциальн энергия или гидростатическ давление, или весовое давление, обусловленное высотой подъёма жидкости. p- статическое 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: F- градиент скорости; dv/dx- градиент скорости по оси х; S- рассматриваемая 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 1м возникает сила внутреннего трения в 1н на 1м^2 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 d -её 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? кг\м?,V=580 мг, ?ср=0,5 м\с. ?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 А- амплитудное колебание волны, ? - циклическая частота, ? - плотность среды, с- скорость 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, I- интенсивность звука после поглощения, х- толщина 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/м^2 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 (УЗИ- ультразвуковое 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 P- давление, V- объём, m- масса, M, молярная масса, R- газовая постоянная, T- температура.

№ 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 jm- плотность потока массы, D- коэффициент 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 jp- плотность 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 Cp- молярная теплоёмкость газа при постоянном давлении, Cv- теплоёмкость газа при постоянном объёме, R- молярная 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 ?U- кинетическая энергия молекул, А- работа, Q- теплоты, 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/?x- градиент температуры, Л- коэффициент 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 Тк- температура кожи, Тв- температура 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, ?Si- изменение энтропии, связанное с необратимыми процессами в организме, ?Se- изменение 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.