Содержание занятий и домашние задания по

1
Содержание занятий и домашние задания по медицинской
физике
I семестр 2013/2014 уч. год
Практическая работа №1(13) по медицинской физике
«Физические основы аудиометрии»
Контрольные вопросы:
1. Что такое механические волны. Продольные и поперечные волны, их основные
характеристики: длина волны, скорость распространения, интенсивность.
2. Какова природа звука? Связь физиологических характеристик опущения звука с
физическими характеристиками волны.
3. Интенсивность и уровень интенсивности звуковой волны, единицы измерения.
4. Звуковое давление, единицы измерения.
5. Закон Вебера-Фехнера. Что называют громкостью звука? Уровень громкости:
единицы измерения.
6. Кривая порога слышимости. Постройте в одних осях кривые порога слышимости
для двух человек с разным слухом. Кривые равной громкости.
7. Аудиограмма. Метод ее построения.
Литература:
1. Антонов В.Ф. и др. Физика и биофизика. Практикум, М., ГЭОТАР-Медиа, 2008,
стр. 124-131.
2. Под редакцией проф. В. Ф. Антонова. Физика и биофизика,
М. ,ГЭОТАР-Медиа, 2008, стр. 37-46.
3. Конспект лекций.
Задачи для решения на практическом занятии:
1. Два звука одинаковой частоты 1000 Гц отличаются по громкости на 20фон. Во
сколько раз отличаются их интенсивности?
2. С помощью кривых равной громкости определите:
1) Уровни громкости следующих звуковых сигналов: 500Гц, 1000 Гц и 5000 Гц, если
они имеют одинаковый уровень интенсивности 20 дБ.
2) Уровни интенсивности звуковых сигналов на частотах 2000 Гц, 1000 Гц и 200 Гц,
если их уровень громкости составляет 60 фон.
3) Каким частотам соответствую звуковые сигналы с уровнем громкость 50 фон и
уровнем интенсивности 50дБ?
Домашнее задание № 1
I. Решить задачи:
1. Уровень громкости звука равен 140 фон, а тихого разговора на том же расстоянии
– 40 фон. Определить отношение интенсивностей. Считать к=10.
2. Найти длины звуковых волн в воздухе и в воде, если частоты звуковых колебаний
составляют соответственно 20 и 20000Гц. Скорости звука в воздухе и воде соответственно равны 340м/с и 1500м/с.
3. Два чистых тона с частотами 1000 Гц и 200 Гц имеют одинаковый уровень
интенсивности 40 дБ. Сравните уровни громкости этих звуков.
2
4. На частоте 100 Гц интенсивность звукового сигнала увеличилась от порога
слышимости в 1000 раз. Насколько при этом увеличился уровень громкости?
II. Самоподготовка: Ответить письменно на контрольные вопросы к следующему
занятию.
Практическая работа № 2(14) по медицинской физике
«Ультразвук (УЗ), его свойства. Ультразвуковой энцефалограф»
Контрольные вопросы:
1. Какова физическая природа ультразвука (УЗ). Его основные физические характеристики: частота, длина волны, скорость распространения.
2. Прямой и обратный пьезоэффект. Источники и приемники УЗ.
3. Механическое и тепловое действие УЗ на вещество.
4. Закон ослабления интенсивности ультразвуковой волны при прохождении через
вещество. График.
5. Отражение УЗ от границы раздела двух сред с разными плотностями. Физический
смысл коэффициента отражения. Формула для расчета коэффициента отражения
через параметры сред.
6. В чём состоит идея УЗ эхолокации? Каким образом в эхолокации используются
свойства отражения и ослабления УЗ волны? Как эхолокация используется в
медицине?
7. Что называют пределом разрешения УЗ эхолокатора?
8. В чём состоит суть эффекта Доплера? Что такое сдвиг частоты, от чего зависит его
величина и в каких случаях он меняет знак? Как используется эффект Доплера в
медицине?
Литература:
1. Антонов В.Ф. и др. Физика и биофизика. Практикум, М., ГЭОТАР-Медиа, 2008,
стр. 131-139.
2. Под редакцией проф. В. Ф. Антонова. Физика и биофизика,
М. ,ГЭОТАР-Медиа, 2008, стр. 46-63.
3. Конспект лекций.
Задачи для решения на практическом занятии:
1. Плотность здоровой мышечной ткани составляет 1050кг/м3. Акустическое
сопротивление ткани равно 1,63*106кг/м2с. При исследовании ультразвуком отраженный сигнал был принят через 2*10-5с после излучения. На какой глубине в
мышечной ткани была обнаружена неоднородность?
2.Одинаковой ли высоты будет звук в случаях:
1) источник звука движется навстречу неподвижному наблюдателю со скоростью
40м/с; 2) наблюдатель движется навстречу источнику с той же скоростью? Частота
звука равна 1000Гц.
3
Домашнее задание № 2
I. Решить задачи:
1. Определите глубину расположения трещины в кости, если при использовании
ультразвукового эхолокатора ультразвуковой сигнал возвратился в датчик через
5*10-5 с. Скорость распространения ультразвука в костной ткани 3, 5·103 м/с.
2. Определите коэффициент отражения ультразвуковой волны на границе раздела
костной ткани и крови, если плотность костной ткани- 1750 кг/м3,
крови – 1050 кг/м3. Скорости распространения УЗ в костной ткани – 3500м/с, в
крови – 1500м/с. Каков физический смысл коэффициента отражения?
3. Определите коэффициент отражения ультразвуковой волны на границе воздуха и
мягких тканей, если плотность воздуха при нормальных условиях 1,3кг/м3, а мягких тканей – 1050 кг/м3. Скорости распространения УЗ в воздухе – 330 м/с, в
мягких тканях – 1500м/с.
II. Самоподготовка: Ответить письменно на контрольные вопросы к следующему
семинарскому занятию
Семинарское занятие № 3 (15) по медицинской физике
«Шкала ЭМВ. Рентгеновское излучение»
Контрольные вопросы:
1. Шкала электромагнитных волн. Свойства ЭМ волн в различных диапазонах.
2. Механизмы излучения ЭМ волн в радио, ИК, видимом, УФ, рентгеновском и
гамма- диапазонах.
3. Рентгеновское излучение, определение, свойства, применение в медицине.
4. Принципиальная схема устройства рентгеновской трубки. Регулировка интенсивности потока и жесткости рентгеновского излучения. Формула для расчета потока
рентгеновского излучения.
5. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, их происхождение.
6. Расчет коротковолновой границы сплошного рентгеновского спектра.
7. Закон ослабления интенсивности рентгеновского излучения веществом, вывод
формулы, график. Линейный и массовые коэффициенты ослабления. Слой половинного ослабления.
8. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом: когерентное рассеяние,
фотоэффект, Комптон-эффект. Взаимодействие -, -, - излучений с веществом.
9. Рентгеноструктурный анализ. Формула Вульфа-Бреггов.
Литература:
1. Антонов В.Ф. и др. Физика и биофизика. Практикум, М., ГЭОТАР-Медиа, 2008,
стр. 139-143.
2. Под редакцией проф. В. Ф. Антонова. Физика и биофизика,
М. ,ГЭОТАР-Медиа, 2008, стр. 116-127.
3. Конспект лекций.
Задачи для решения на занятии:
1. Шкала электромагнитных волн. В каком частотном диапазоне находится
рентгеновское излучение?
4
2. Рентгеновская трубка (пояснить устройство).
1) Объяснить механизм возникновения тормозного рентгеновского излучения.
2) Объяснить механизм возникновения характеристического рентгеновского излучения. Какую информацию можно получить на основании характеристических
рентгеновских спектров?
3. Регулировка жесткости и интенсивности потока рентгеновского излучения. Пояснить закономерности тормозных спектров, построив соответствующие
графики:
а) Uк=const, U(1)К-А U(2)К-А U(3)К-А
б) UК-А =const, U(1)К U(2)К U(3)К
4. Вывести закон ослабления рентгеновского излучения при взаимодействии
рентгеновского излучения с веществом.
5. Вывести формулу вычисления толщины защитного экрана от рентгеновского
излучения.
6. Найти коротковолновую границу рентгеновского спектра, если напряжение
между анодом и катодом трубки 120 кВ. Изменится ли min при увеличения напряжения на катоде трубки?
1)
2)
3)
4)
Домашнее задание № 3
I. Решить задачи:
Чему равна энергия кванта рентгеновского излучения с длиной волны 10нм?
Почему спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным?
Во сколько раз изменится скорость электронов в рентгеновской трубке при
увеличении напряжения от 10кВ до 100кВ?
Найти коротковолновую границу рентгеновского спектра, если напряжение между
анодом и катодом трубки 200 кВ. Изменится ли min при увеличения напряжения
между анодом и катодом рентгеновской трубки?
II. Самоподготовка: Ответить письменно на контрольные вопросы к следующему
семинарскому занятию
5
Семинарское занятие №4 (16) по медицинской физике
«Радиометрия и дозиметрия»
Контрольные вопросы:
1. Явление радиоактивности, определение. -, - и - излучения; привести уравнения
для - и - распадов.
2. Закон радиоактивного распада (вывод). График.
Постоянная распада, период полураспада: связь между этими величинами.
3. Активность радиоактивного препарата, единицы измерения. Изменение активности во времени.
4. Ионизирующая и проникающая способности -, -, - излучений. Способы защиты
от этих излучений.
5. Действие ионизирующего излучения на вещество. Поглощенная, экспозиционная и
биологическая дозы. Соотношения между ними.
6. Единицы измерения доз в СИ и внесистемные единицы.
7. Мощность дозы. Единицы измерения мощности дозы. Зависимость мощности
экспозиционной дозы от активности препарата.
Задачи для решения на занятии:
1. Укажите три основных вида защиты от ионизирующего излучения.
2. Радиоактивный препарат имеет постоянную распада λ = 1,44∙10 -3 час-1. Через
сколько времени распадется 75% первоначального количества ядер?
3. Мягкие ткани человека подвергаются рентгеновскому облучению в течение 1,5
часа, при этом экспозиционная доза составила 0,6 Р. Чему равна поглощенная доза
для мягких тканей в радах? Какова мощность экспозиционной дозы? Как соотносятся между собой экспозиционная и биологическая дозы?
4. Рабочий в течение 6 часов должен находиться в 2м от точечного источника гаммаизлучения. Какова должна быть активность источника гамма-излучения, чтобы
можно было обойтись без защитного экрана? Постоянная гамма распада –
1,35 Р м2/час Кu. Допустимая доза равна 0,01 Р.
Домашнее задание № 4
I.Решить задачи:
1) Как получить из ртути золото?
2) Период полураспада радиоактивного фосфора 30
15Р составляет 3 минуты. Чему
равна постоянная распада этого элемента?
3) Средняя мощность экспозиционной дозы облучения в рентгеновском кабинете
равна 6,45*10-12 Кл/(кг*с). Врач находится в кабинете в течение дня 5 часов. Какова доза облучения за шесть рабочих дней?
4) Какую опасность для человека несёт выброс различных изотопов в атмосферу?
Одинаково ли действие их на организм? Какие основные показатели определяют
степень их воздействия на организм?
II. Самоподготовка: Ответить письменно на контрольные вопросы к следующему
семинарскому занятию
6
Практическое занятие №5 (17) по медицинской физике
«Лазер и его использование для определения размеров эритроцитов»
Контрольные вопросы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
1.
2.
3.
4.
Принцип Гюйгенса-Френеля.
Интерференция света. Условия максимума и минимума.
Дифракция света. Формула дифракционной решетки.
Лазер, принцип его действия. Инверсная заселенность. Метастабильные уровни.
Индуцированное излучение.
Устройство лазера, работающего по трёхуровневой схеме.
Особенности лазерного излучения.
.
Литература:
Антонов В.Ф., Черныш А.М., Козлова Е.К., Коржуев А.В. Физика и биофизика.
ГЭОТАР-Медиа.2007.
Антонов В.Ф., Черныш А.М., Козлова Е.К., Коржуев А.В. Физика и биофизика.
Практикум. ГЭОТАР-Медиа.2008.
Антонов В.Ф., Вознесенский С.А., Черныш А.М., Пасечник В.И., Козлова Е.К.,
«Биофизика». М. Владос. 2000г.,2006.
Антонов В.Ф., Вознесенский С.А., Черныш А.М., Пасечник В.И., Козлова Е.К.,
«Практикум по биофизике». М. Владос. 2001г.
Задачи для решения на занятии:
1. Какова пространственная протяженность L цуга волн, образующегося за время t
высвечивания атома?
2. Разность хода волн от двух когерентных источников света в некоторой точке экран
равна =4,36мкм. Каков результат интерференции, если длина волны равна:
1) 670нм, 2) 438нм, 3) 536нм ?
3. Длина волны света, падающего на дифракционную решетку перпендикулярно её
плоскости, составляет 500нм. Период решетки – 0,005 мм. Под каким углом можно
будет увидеть 5-ый дифракционный максимум?
Домашнее задание № 5
I. Решить задачи:
1. На дифракционную решетку нормально падает монохроматический свет с длиной
волны 600нм. Определите наибольший порядок спектра, полученный с помощью
этой решетки, если постоянная решетки d=2мкм.
2. Диапазон длин волн лазерного излучения, применяемого в медицине, лежит в
пределе от 0,193мкм до 10,6мкм. Определить границы частотного диапазона лазерного излучения и диапазон энергии квантов.
3. Найти энергии квантов (в эВ и Дж) лазерного излучения, используемого в
медицине, если 1 Дж= 6,25·1018 эВ:
а) в терапии, =0,63мкм (красный цвет);
б) в хирургии для рассечения тканей, =10,6мкм (ИК); и для коагуляции (ИК),
=1,06мкм.
II. Самоподготовка: Подготовиться к коллоквиуму по медицинской физике.
Занятие №6 по спектральному анализу переносится на следующий семестр!
7
ВОПРОСЫ К КОЛЛОКВИУМУ
ПО МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКЕ
1. Звук, его природа. Физические и физиологические характеристики звука.
2. Кривые равной громкости. Кривая порога слышимости. Основы аудиометрии.
3. Ультразвук, его природа и характеристики. Закон поглощения УЗ в среде.
Коэффициент отражения УЗ от границы раздела двух сред.
4. Физический принцип УЗ эхолокации.
5. Рентгеновское излучение, его физическая природа. Механизм тормозного
рентгеновского излучения.
6. Устройство
рентгеновской
трубки. Спектр тормозного рентгеновского
излучения. Коротковолновая граница и мощность излучения (формулы).
7. Как можно регулировать жесткость и интенсивность тормозного рентгеновского излучения?
8. Характеристическое рентгеновское излучение. Механизм возникновения и
спектр.
9. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом: когерентное рассеяние,
Комптон-эффект, фотоэффект.
10. Закон ослабления интенсивности рентгеновского излучения, график. Физические основы получения рентгеновских снимков. Защита от рентгеновского
излучения.
11. Применение рентгеновского излучения в медицине.
12. Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучение.
13. Закон радиоактивного распада (уравнение и график). Постоянная распада и
период полураспада.
14. Активность радиоактивного препарата (уравнение и график).
15. Дозиметрия. Поглощенная, экспозиционная и биологическая дозы. Системные и
внесистемные единицы измерения и связь между ними.
16. Мощность дозы. Связь мощности экспозиционной дозы с активностью
радиоактивного препарата. Основные принципы защиты от радиоактивного
излучения.
17. Применение радионуклидов в медицине.
Самостоятельно изучить вопросы:
1. Люминесценция. Виды люминесценции. Механизмы фотолюминесценции.
2. Спектры возбуждения и люминесценции. Правило Стокса.
3. Лазер. Механизм получения излучения. Свойства лазерного излучения.