1物体的弹性

1医学物理学(PhysicsforMedicalSciences)本科课程陈萍15923252700重庆医科大学医学物理学教研室2•谈到医学,大家可能会马上想到疾病的预防,诊断与治疗.•对于诊断,医生一直向往的是既不侵入人体,而又能清晰地看到人体的病变情况的诊断方法.从1895年2月伦琴利用X射线得到了世界上第一张人手骨骼图像,一直到后来X射线计算机断层扫描成像(简称XCT),放射性核素成像的发射型CT(简称ECT)和超声成像技术以及磁共振成像技术(简称MRI)等的问世,逐步地提高了诊断水平.3目前使用的CT机1072型台式x-ray微CT4对于治疗,出现了在不切开皮肤的情况下切除体内病灶,达到治疗目的的神奇“手术刀”,目前已在临床应用的有超声波刀,激光刀和γ射线刀等.γ射线刀由此可见,现代医学的发展与物理学的发展密切相关.5物理学对医学发展的贡献医学发展的五千年历史中，前4000年－－－－时快时慢的步行19世纪末，巴斯德创立微生物致病说－－－开始展翅腾飞17世纪初，威廉哈维发现血液循环理论－－－－开始奔跑物理学对医学的贡献：将物理学的原理、研究方法和技术应用于医学的预防、诊断和治疗，极大地推动了近代医学的迅速发展近代物理诞生之时物理学革命的前夜6历史回顾1.使医学进入定量测量的时代17世纪，近代物理学之父伽俐略创造了将实验与数学相结合的科学方法，将这种新的研究方法应用到医学.圣托里奥是最早将测量、计算和实验充分应用于医学和生物学的先驱者之一，也是物理医学派的早期倡导者，他的定量实验为医学研究打下了使用精密仪器进行量化的基础。单摆脉搏计伽俐略圣托里奥7最早的体温计1591年，伽利略在威尼斯的帕多瓦大学任教。大学里的医生迫切需要一种能测量病人体温的仪器。伽利略就和学生一起做实验来解决这一难题。伽利略的实验装置在现在看来是十分简单的。只是一个普通的透明容器，里面灌上冷水，外加一支老式的玻璃试管。伽利略首先握住试管底部，用体温使管内空气受热膨胀，然后把试管倒插入冷水中，再把手松开，管内的空气就变冷收缩了。学生们惊奇地看到了管内水柱的上升。伽利略又用手握住试管，不一会儿管内的水柱又下降了。伽利略给试管标上刻度和数字，然后让每个学生自己做实验。他们分别用手握住这个试管进行观察，发现管内的水几乎都下降到相同的刻度，这说明正常人的体温是差不多的。如果人生了病，体温升高了，液柱将下降到比人正常时还低的刻度。这种极其简单的测温装置，可以说是世界上最早的体温计。然而伽利略并不以此为满足，他认为水在冬季会结冰，容易涨破玻璃管，不是制造体温计的理想材料。于是，他又选用酒精。后来他又考虑到空气的压力，排除了玻璃管内的空气，并把测温物质密封起来，制成了更为实用的体温计。8隐形出汗－－－即在皮肤上有水蒸气的流失现象17世纪，量度观念已很普及。最先在医学界使用量度手段的是圣托里奥，他制作了体温计和脉搏计，还制造了一个像小屋似的大秤，可在其中生活、睡眠、运动、进食。在排泄前后，他都秤量自己的体重，如此不厌其烦地进行了30余年。他发现体重在不排泄时也在减轻，于是认为其原因是“不易觉察的出汗”，这可以说是最早的新陈代谢研究。92.哈维的血液循环实验盖仑的错误观点：认为动脉和静脉互不相同，是两种相互隔离的脉管系统，血液在这两种脉管中做一进一退的潮汐运动。食物消化后经门静脉输入肝脏形成血液，并加入在那里产生的“自然灵气”，再由静脉将充满“自然灵气”和营养物质的血液送到身体各处；心脏产生的“生命灵气”则加入动脉血中，并由动脉送至全身。这种错误观点严重防碍了人们对心血管结构和功能的正确认识，极大地阻碍了外科学的发展10达芬奇解剖人的尸体解剖学的研究步入正轨1543年，维萨利解剖学之父人体的结构肝脏是循环中心的学说是错误的1553年，塞尔维特血液的肺循环1603年，法布里修斯发现静脉内壁的瓣膜从右心室流出来的血经肺动脉流到肺，与空气混合后，再经肺静脉流入左心室这些膜瓣永远朝着心脏的方向打开，而向相反的方向则是关闭的11哈维研究心脏和血管的运动规律，通过大量实验确定了血液进出心脏及其在动静脉血管中的流向：体内的血液是做循环运动的，从心脏射出的血液通过动脉流向全身，而这些血液又通过静脉流回心脏.“无论是教解剖学还是学解剖学，都应以实验为依据，而不应该以书本为依据”威廉哈维显示了正常人体上静膜瓣的位置和作用123.显微镜下的崭新世界1595年荷兰人詹森复式显微镜他在一个管子的两端装上一个凸透镜一个凹透镜1609年伽俐略英国物理学家真正用显微镜发现有机体内新世界的是马尔皮基和列文虎克等人发现了昆虫的复眼发明了望远镜又设计显微镜用复式显微镜细胞胡克13荷兰业余科学家列文虎克“细菌学之父”作过许多显微镜观察，最先看到精子、血细胞；他在观察蝌蚪的尾巴时发现血细胞从毛细血管中流过的情形。意大利人马尔皮基是组织解剖学的奠基人，他是首先使用显微镜的科学家之一，发现了毛细血管，发现了红细胞蛙肺的毛细血管二人的观察填补了哈维在血液循环学说中留下来的空白，说明血液怎样由动脉进入静脉的。14物理学在现代医学中的应用生物电磁效应在诊断和治疗中的作用超声在医学上的应用放射性药物在诊断和治疗中的作用激光在医学上的应用神奇的粒子手术刀CT技术和磁共振成像技术15绪论(Introduction)一、目的要求:理解物理学的研究对象,了解物理学与医学的内在联系以及物理学在医学中的应用。二、教学内容:物理学的研究对象,物理学与医学的关系，课程特点，学习方法。16一、物理学1.学科定义研究物质运动的普遍性质和基本规律的科学。经典物理学（16-19世纪）牛顿力学、热学、光学、电磁学、原子核现代物理学（20世纪-）相对论、量子物理学物理学2.学科内容173.学科特点（1）成熟的定量学科要求用定量的数值或具体的形象来说明被研究的对象和有关规律。具有严谨的理论体系和精巧的实验技术。任一分支，只由几个基本规律或概念贯穿其中。（2）其研究方法是发现其它规律的钥匙。（3）其理论突破将推动其它学科的发展和改变物质世界。蒸汽机、电磁、相对论、超导、钠米技术……18研究的一般方法•它成功的研究方法可以引导人们不断地去揭示自然界的奥秘。•研究步骤为：观察实验提出问题建模假说建立理论简化数学方法验证（修改）（修改）19物理学在医学方面的应用已越来越广泛和深入，两者的关系也越来越密切。目前,各门科学都愈来愈多地把它们的理论建立在精确的物理科学基础之上。物理学和医学这两门学科的不断发展，互相渗透，互相促进。一直到本世纪的初期，生物科学（包括医学）基本上是一门形态的科学。它的方法主要是收集和整理材料，进行观察和归纳。光学显微镜的发明和改进使观察达到细胞水平，促使了医学科学的发展和提高。近几十年物理学和工程技术的飞跃发展，又使得基础医学和临床医学从细胞水平进展到超显微层次的分子水平和电子水平，也就是生物科学已逐渐由宏观形态的研究进入微观机制的探讨。20二、物理学与医学的关系1.医学的定义以人为研究对象的生物科学研究最复杂的运动形式——人体的生命现象。2.相互联系（1）学科本质：任何一门自然学科都是研究物质的运动规律,仅有简繁之分。基本规律独特规律21（2）医学和物理学相联系的发展史1.伽利略(1564—1642)是著名的物理学家，但他曾经是医学专业的学生。他在大量实验的基础上，揭示了摆的周期不变性，推导出了周期和摆长的关系。2.桑托留斯(1561-1636)利用单摆原理，制成了脉搏计；他利用热力学知识，研制出了温度计，使干百年来医学上对“发烧”的模糊认识有了定量的描述。3.波莱尔(1608-1679)运用物理学的力学知识，计算了人体肌肉力的传导，并研究了心脏的收缩、动脉的血流及周边阻力，计算过心脏的动力，对血管的生理和病理作出了贡献，同时利用相应物理学知识解释了呼吸的物理现象。224.马尔皮基(1628-1694)用显微镜发现毛细血管的存在，对现代医学的微循环理论作出了贡献。5.伽法尼(1737-1798)解剖学家，首次在青蛙肌肉上发现了生物电，这给后来电生理启迪了思路。6.托马斯.杨(1773—1829)不仅是成功完成杨氏双缝干涉的物理学家。他用弹性理论研究动脉血流中的脉动，用衍射方法测定出细胞和纤维的直径，用光学知识研究了人眼的调节作用和散光，并和霍尔兹共同创立了色觉的“三色”理论。237.泊肃叶(1778—1869)内科医生。在他学习医学专业时创造了用水银压力计测量狗主动脉血压的方法；而且在医学院刚毕业不久，研究了血液在管中的流动规律，从而建立了粘滞液体流动的泊肃叶定律。8.伦琴（1835－1923)发现了X射线，三个月后就被用于临床。现在已经和计算机技术发展为X－CT。利用X射线做成的电子显微镜可以大大提高分辨率等。多普勒效应的发现、激光技术的发展、光纤技术的发展、计算机技术的发展等为疾病的快速、准确诊断了提供了强有力的手段。24（3）学科发展趋势：A.定性分析定量分析量子物理学+计算机技术生命之谜B.交叉边缘学科----生物医学工程（硕士学位授权点）医学影像物理学、麻醉物理学、医学电子学、生物医学传感器、生物物理学、激光医学、血液流变学……25三、课程特点１.教学目的：系统地学习物理学中与医学有关的基本概念、规律和方法。２.教学特点：基础课程。运用高等数学对中学物理内容进行扩展，重点讲解基本理论，仅提供医学举例。３.教学要求：（１）培养物理学思维和自学能力(以略讲为主）;（２）重点理解物理规律；（３）按时完成平时作业和物理实验。264.学习方法（1）大学学习的特点(a)目标自定；(b)以略讲为主：教材内容分掌握、了解和参考*三类；(c)以自学为主：自学/教学（教学大纲要求）。（2）学习步骤(a)预习：做到心中有数；(b)听课:做笔记,可能不完全同于教材；(c)复习:及时复习,不能用作业代替；(d)作业:用单页纸做,将进行抽查；(e)小结:提高归纳能力；寻找自己的最佳学习方法27四、本课程主要教学内容第一章：人体力学的基础知识{物体的弹性（肌肉和骨骼的弹性(外科学)）}第二章：流体的运动（血液循环系统中血液的运动规律;制药工业中管道内流速流量的测量与控制）第三章：液体表面现象（人体呼吸{肺泡})第四章：振动、波动和声波（人体正常生理和病理状态下脉搏波,呼吸波,心电波的波谱分析,听觉系统的功能,超声波的医药学应用{B超、多普勒彩超})28第五章：生物热力学基础（人体代谢过程中的能力转换）{物理化学中讲}第六、八章：电磁学(人体心电、脑电、肌电、胃电等电生理规律及其在临床诊断和药品生产及研究中的应用)第七章：直流电(电生理过程)第九章：波动光学（光谱分析、糖量计）第十章：几何光学（人眼、光学显微镜）29第十一章：原子核和放射性（核医学技术在临床诊断和医药学研究中的应用)第十二章：光谱和激光（光谱分析、激光检测、治疗{肿瘤}、理疗）第十三章：X射线（X－CT）第十四章:核磁共振(核磁共振技术在医学诊断和医药学研究中的应用)30征订《医学物理学学习指导（2010版）》通知主要内容:(1)教学大纲；(2)基本理论和例题；(3)教材答案及部分题解；（4）达标例题和参考答案；印刷厂订价：80页（32开）6.00元/本征订方式：即日起本周内,以班为单位将钱交给物理实验室郑军老师（联系电话：65713513；13002361818)31第一章人体力学的基础知识(Basallawsofmechanics)一、目的要求在熟悉牛顿定律的基础上,掌握物体弹性的一般规律。二、教学内容:物体的弹性,物体的弹性和塑性,应变与应力。弹性模量,粘弹性,肌肉和骨骼的弹性。32物体在外力作用下都要或多或少地发生形变。研究物体在外力作用下产生的形变，不仅在工程上，而且在生物医学上都有重要的意义。在讨论物体的形变时，把实际的材料看作是均匀、连续、各向同性的可变形固体。§1-3弹性力学的基本定律形变（deformation）：任何物体在外力作用下其大小和形状都会发生变化，这种变化称为形变。（人体中的骨骼、肌肉、血管等组织）。弹性(elastic)：当形变在一定限度内