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1、医用物理学全册配套医用物理学全册配套 完整精品课件完整精品课件 22:50 22: 50 2 医用物理学医用物理学 22: 50 3 课程性质课程性质 医用物理学：为医学服务的物理知识医用物理学：为医学服务的物理知识 物理规律：物理规律： 力、声、热、力、声、热、 电、磁、光电、磁、光 人体生理、人体生理、 病理过程，病理过程， 在物理层面在物理层面 的规律的规律 22: 50 4 例：脊椎的受力例：脊椎的受力 R 22: 50 5 例：三维动态超声图像例：三维动态超声图像 22: 50 6 第一章第一章 力学力学 一、动力学一、动力学 Dynamics 二、静力学二、静力学 Static F

2、orces n平衡与稳定性平衡与稳定性 n人体的平衡人体的平衡 n人体在外力作用下的稳定性人体在外力作用下的稳定性 n人体中的杠杆人体中的杠杆 22: 50 7 一、动力学一、动力学 Dynamics 力学中讨论运动和力的关系的部分力学中讨论运动和力的关系的部分 称为动力学。称为动力学。 牛顿第二定律：牛顿第二定律： t mv t v mmaF )( 22: 50 8 例例3.1a）一个人以）一个人以1m/s的速度步行时，头碰到一根的速度步行时，头碰到一根 很低的横梁上，碰撞的持续时间为很低的横梁上，碰撞的持续时间为5ms，如果头的，如果头的 质量为质量为4kg，求碰撞时头部所受的力。，求碰撞

3、时头部所受的力。 N t mv F800 005. 0 4)( t mv t v mmaF )( smkg smsmkgmv /4 )/0/1 (4)( 22: 50 9 b）如果横梁上有）如果横梁上有2cm厚的垫料，使碰撞时厚的垫料，使碰撞时 间增加到间增加到0.04s，问此时头部所受的力是多少，问此时头部所受的力是多少 N t mv F100 04. 0 4)( N t mv F800 005. 0 4)( 22: 50 1 0 如果一个人从如果一个人从1m高处跳下且着地时腿是高处跳下且着地时腿是 伸直的，他将受到很大的冲击。伸直的，他将受到很大的冲击。 在人着地的瞬间，其速度是在人着地的

4、瞬间，其速度是4.5m/s，设地面，设地面 在在5ms内使人体停止，此时所受的力约是其内使人体停止，此时所受的力约是其 体重的体重的100倍。倍。 如果人落在体操垫上，则其减速时间会长一如果人落在体操垫上，则其减速时间会长一 些，些， 另外，如果他按照人体的正常反应，先将脚另外，如果他按照人体的正常反应，先将脚 尖着地然后曲膝，使减速的时间更长，则可尖着地然后曲膝，使减速的时间更长，则可 减少着地力。减少着地力。 22: 50 1 1 人体在加速和减速力作用下的行为，是和人体在加速和减速力作用下的行为，是和 飞机、汽车、太空飞行器有关的人员感兴趣飞机、汽车、太空飞行器有关的人员感兴趣 的领域。

5、人体经受得起的加速度的量值，决的领域。人体经受得起的加速度的量值，决 定于人体的方位和加速度的持续时间。定于人体的方位和加速度的持续时间。 22: 50 1 2 22: 50 1 3 加速度可能产生若干种效应，例如加速度可能产生若干种效应，例如 （1）出现超重或失重；）出现超重或失重； （2）体内静压的改变；）体内静压的改变； （3）人体弹性组织的扭变；）人体弹性组织的扭变； （4）悬浮在液体中密度不同的各种成份有）悬浮在液体中密度不同的各种成份有 分离的趋势。分离的趋势。 22: 50 1 4 如果让人体振动，就会发生共振现象。如果让人体振动，就会发生共振现象。 我们的每个主要器官都有其固有

6、频率，我们的每个主要器官都有其固有频率， 这个频率决定于它的质量和加于它的各种弹这个频率决定于它的质量和加于它的各种弹 力。力。 如果一个器官共振于它的固有频率时，会出如果一个器官共振于它的固有频率时，会出 现痛苦和不适感。现痛苦和不适感。 22: 50 1 5 22: 50 1 6 二、静力学二、静力学 Static Forces n研究作用在处于平衡和静止的物体上的研究作用在处于平衡和静止的物体上的 力。力。 n质点平衡的条件：质点平衡的条件： n其受到的各力之和为零其受到的各力之和为零 n刚体平衡的条件：刚体平衡的条件： n刚体：刚体： n具有固定形状及大小的物体。具有固定形状及大小的物

7、体。 n骨头、垒球骨头、垒球 n合力为零合力为零 n合力矩为零合力矩为零 条件一条件一 条件二条件二 转轴转轴 r F F 22: 50 1 7 FrM 力矩力矩 sinrFM ：大小 是是r与与F所夹所夹 的锐角的锐角 矢量叉积矢量叉积 mN 单位： 方向方向 22: 50 1 8 重心重心 中在该点上。中在该点上。刚体的重量可以认为集刚体的重量可以认为集 刚体的重心：刚体的重心： 位于它们的几何中心。位于它们的几何中心。 称的物体的重心称的物体的重心密度均匀且几何形状对密度均匀且几何形状对 心？形状不规则的物体的重 22: 50 1 9 心心形形状状不不规规则则的的物物体体的的重重 体体内

8、内吗吗？物物体体的的重重心心一一定定位位于于物物 可可能能在在肢肢体体之之外外。屈屈膝膝时时，下下肢肢的的重重心心就就 22: 50 2 0 平衡与稳定性平衡与稳定性 结论：当结论：当 物体重心物体重心 位于支点位于支点 确定的基确定的基 面上方时，面上方时， 物体才能物体才能 保持平衡！保持平衡！ 22: 50 2 1 人体的平衡 重心（重心（c.g.c.g.）的位置：身高的）的位置：身高的5656 22: 50 2 2 mN wM 443 . 08 . 915 3 . 0 例例1.10，一个直立的体重为，一个直立的体重为60kg的人，当的人，当 他提着他提着15kg的重物的重物w时，求重心

9、位置需移动时，求重心位置需移动 的的 距离。在实际生活中这种移动是怎距离。在实际生活中这种移动是怎 样完成的？样完成的？ 448 . 960 x cmx5 . 7 需要将身体重心向重物对侧移动需要将身体重心向重物对侧移动7.5cm 实际中是靠弯曲上身并将另一侧上肢实际中是靠弯曲上身并将另一侧上肢 抬高来维持平衡。抬高来维持平衡。 22: 50 2 3 人体在外力作用下的稳定性人体在外力作用下的稳定性 mFT aa 5.1 N a 7 .45 5 . 1 1 . 08 . 970 F mWT w 1.0 22: 50 2 4 人体内的很多肌肉和骨系统起着杠杆作用。人体内的很多肌肉和骨系统起着杠杆

10、作用。 杠杆分为第一、第二和第三类，在人体内最常杠杆分为第一、第二和第三类，在人体内最常 见的是第三类杠杆。见的是第三类杠杆。 人体中的杠杆人体中的杠杆 22: 50 2 5 转动的刚体棒。转动的刚体棒。支点或轴支点或轴杠杆是绕定点杠杆是绕定点)( 第一类杠杆第一类杠杆 2 1 d d WF 1 2 d d F W 1，称为省力杠杆；反之，则，称为省力杠杆；反之，则 1，省力杠杆，省力杠杆 1 2 d d F W 22: 50 2 7 第三类杠杆第三类杠杆 机械利益机械利益 S2 v1P2 P2P0 空吸现象空吸现象 常量常量 2 2 1 vP 常量常量Sv 喷雾器 皮托管原理(测流速） hD

11、 CD AB hC 22 2 1 2 1 DDCC vPvPvD=0， vC=v CD PPv 2 2 1 CD hhg CD hhgv2 汾丘里流量计（测流量） 设流体在截面A处，截面积为S1、流速为v1、 压强为P1，截面B处，截面积为S2、流速为v2、 压强为P2。 A B h 2211 vSvSQ 2 22 2 11 2 1 2 1 vPvP 流流 流 水银 ghvv2 2 1 2 2 ghPP 水银 21 2 11 22211 S vS vvSvS A B h 已知已知S S1 1、S S2 2，液面高度差，液面高度差h h，即可得到流量和流速。，即可得到流量和流速。 流 水银 2

12、2 2 1 21 2 SS gh Sv 流 水银 2 2 2 1 2111 2 SS gh SSSvQ A B h 压强和高度的关系 条件：粗细均匀管 即：流体在粗细均匀的管中流动时，即：流体在粗细均匀的管中流动时， 高处的压强小，低处的压强大高处的压强小，低处的压强大。利用这一。利用这一 原理可解释体位对血压测量的影响。原理可解释体位对血压测量的影响。 常量 ghP 体位对血压的影响体位对血压的影响(单位单位:kPa) 动脉动脉 静脉静脉 12.612.613.3 0.70.70.3 常量 ghP 体位对血压的影响 动脉动脉 单位单位:kPa 静脉静脉 24.312.4 6.8 13.30.

13、3 -5.2 头部减少头部减少5.9KPa5.9KPa 脚部增加脚部增加11.711.7KPa 常量 ghP 3、利用伯努利方程解题 1 1、注意伯努利方程的条件，选好流管、注意伯努利方程的条件，选好流管 2 2、连续性方程和伯努利方程联合使用、连续性方程和伯努利方程联合使用 3 3、分析各点状态，确定、分析各点状态，确定最简单两点最简单两点列方程列方程 A:A:最简单两点：多已知量和少未知量最简单两点：多已知量和少未知量 B:B:选择合适参考面（确定选择合适参考面（确定h h） C:C:不熟悉特殊形式，可列出完整形式不熟悉特殊形式，可列出完整形式 例1-2.1已知h1和h2，问 (1)截面均

14、匀的下端D被塞 住时，A、B、C处的压强 各为多少？（2）D端开启 时，A、B、C处的压强各 为多少？这时水流出D处 的速率为多少？ 101 ghPPPghP CBC h2 h1 BA D C 0 PPP BA (1)D(1)D被塞住，为静态被塞住，为静态 CBA vvvv vPPP CBA h2 h1 BA D C 0 PP A vvvv DCB )(2 2 1 )( 12 2 0120 hhgvvPhhgP A:A: 0 A v ? B P B:B: ? vvB ? C P C:C: ? vvC 0 PP D D:D: ? vvD 选择选择A A、D D两点：两点： h2 h1 BA D

15、C 选择选择B B、C C、D D粗细均匀粗细均匀 管，压强只与高度有关管，压强只与高度有关 可以去掉一个未知量可以去掉一个未知量v v 选择选择B B、D D两点：两点： )()( 120012 hhgPPPhhgP BB 选择选择C C、D D两点：两点： 2002 ghPPPghP CC 运动的理想流体小结 一、理解理想流体、定常流动的概念 二、掌握连续性方程 三、掌握伯努利方程 四、掌握伯努利方程的应用 常量ghvP 2 2 1 常量Sv 常量 2 2 1 vP 水平管水平管 粗细均匀管 常量 ghP 相关习题：习题二相关习题：习题二2.32.6, 2.9 黏性流体的流动 血液的流动

16、例题 本章总结 运动的运动的非粘性流体非粘性流体 一、理解理想流体、定常流动的概念 二、掌握连续性方程 三、掌握伯努利方程 四、掌握伯努利方程的应用 常量ghvP 2 2 1 常量Sv 常量 2 2 1 vP 水平管水平管 粗细均匀管 常量 ghP 黏性流体的流动 一、流体的黏性 二、黏性流体的伯努利方程 三、泊肃叶定律 四、斯托克斯黏滞公式 五、层流和湍流 一、流体的黏性 1 1、黏性流体的流动黏性流体的流动 2 2、层流、黏性层流、黏性 3 3、牛顿黏滞定律牛顿黏滞定律 4 4、黏度黏度 5 5、黏性液体的分类黏性液体的分类 1、黏性流体的流动 黏性流体流动的速度不一致，中轴线处最快黏性流

17、体流动的速度不一致，中轴线处最快 2、层流、黏性 层流示意图层流示意图 层流：层流：在速度不是很大的情况下，黏在速度不是很大的情况下，黏 性流体是分层流动的，称为层流。性流体是分层流动的，称为层流。 黏性：流体中相邻两层，流动快的一 层给慢的一层以拉力，而慢的一层给 流动快的一层以阻力，这一对力称为 黏力或内摩擦力，流体的这种性质称 为黏性。 Z 3、牛顿黏滞定律 n牛顿黏滞定律：有实验表明， 两层流体之间黏力的大小f 正比于速度梯度和两层流体 的接触面积S： S z v f d d v z 为粘度，单位为为粘度，单位为PasPas 4、黏度 黏度只取决于流体黏度只取决于流体 本身的性质和温度

18、本身的性质和温度 气体黏度远小于液气体黏度远小于液 体黏度体黏度 对于液体，黏度随对于液体，黏度随 温度升高而减小温度升高而减小 对于气体，黏度随对于气体，黏度随 温度升高而增大温度升高而增大 5、黏性流体的分类 n牛顿流体：凡遵从牛顿黏度定律的流体。特点：其 黏度在一定温度下是一常量。 n非牛顿流体：不遵从牛顿黏度定律的流体。特点： 其黏度在一定温度下不是一常量。 n判别：一般只含有相同物质的均匀流体多为牛顿流 体。水、酒精、血浆都是牛顿流体，血液因含有血 细胞是非牛顿流体。 二、黏性流体的伯努利方程 实际流体的伯努利方程：需加上一个修正项w（w表 示单位体积上的流体在流管中从截面1流到截面

19、2 的过程中所消耗的机械能，称为黏性损耗），即： wghvPghvP 2 2 221 2 11 2 1 2 1 2 2 221 2 11 2 1 2 1 ghvPghvP 理想流体伯努利方程：理想流体伯努利方程： 黏性流体伯努利方程的应用 流体在粗细均匀的水平管中流动流体在粗细均匀的水平管中流动 流体在截面相同的明渠中流动时流体在截面相同的明渠中流动时 流体在粗细均匀的水平管中流动 结论：在水平管中必须有一定的压强差以克服 内摩擦力，才能使粘性流体做定常流动。 wPP 21 2121 hhvv wghvPghvP 2 2 221 2 11 2 1 2 1 例题 流体在截面相同的明渠中流动时 结

20、论：明渠中必须有一定的高度差，才能使 水在其中作定常流动。 2121 PPvv g w hh 21 wghvPghvP 2 2 221 2 11 2 1 2 1 法国医师泊肃叶(Poiseuille)为了明 确心脏和血流间的关系，研究了牛顿液 体（水）在刚性管中流动的规律，得出 了著名的泊肃叶定律 三、泊肃叶定律 n泊肃叶定律: 在粗细均匀的水平圆管中作层流的黏性流体， 其体积流量Q为 ： l PPr Q 8 )( 21 4 R P R PP Q 21 4 8 r l R n R称为流阻(flow resistance)，医学上习惯称之 为外周阻力，其大小由流体的粘度和管道的几 何形状决定 n

21、 流阻与管子半径的四次方成反比，半径微小的 变化都会对流阻产生不可忽视的影响。 流阻流阻: : 单位单位:Pa:Pas/ms/m3 3 4 8 r l R 应用 R P R PP Q 21 4 8 r l R 人体中血管可以伸缩，其管径的变化人体中血管可以伸缩，其管径的变化 对血液的流量有很强的控制作用。对血液的流量有很强的控制作用。 怎么求人体的外周阻力？怎么求人体的外周阻力？ 60 3/ )( 心率每搏血量 舒张压收缩压舒张压 Q P R n粘性流体在粗细均匀的水平管中作层流时，流量 等于管子两端压强差与流阻的比值。 n当多个等截面水平管串联或并联时，其总流阻分 别为： n串联： n并联：

22、 n RRRR 21 n RRRR 1111 21 泊肃叶定律与欧姆定律比较 并联电阻倒数之和 的倒数 电阻并联 并联流阻倒数之 和的倒数 流阻并联 串联电阻之和电阻串联 串联流阻之和 流阻串联 仅与物质的性质和 温度有关 电阻率 仅与流体的性质 和温度有关 粘度 电阻 流阻 欧姆定律 泊肃叶定律 F R P Q E R U I 4 8 r l RF 2 r l RE 例题 成年人主动脉的半径约为1.3102 m，求在一 段0.2 m长的血管中，流阻和血压降为多少？（设 血流量Q=1.0104 m3s1，= 3.0103 Pas） 在主动脉中，血压的下降微不足道。在主动脉中，血压的下降微不足道

23、。 )msPa(1035. 5 103 . 114. 3 2 . 0100 . 38 8 34 4 2 3 4 r l R )Pa(35. 51035. 5100 . 1 44 RQP 四、斯托克斯黏滞公式 n目的：研究球形物体在黏性液体中所受的阻力 rvf6 在黏性流体中以速率在黏性流体中以速率v运动的半径为运动的半径为r的的 小球所受到的黏性阻力为：小球所受到的黏性阻力为： 半径为r、密度为 的小球在黏度系数为、密度为 的 液体中自由下沉，求稳定后小球的速度(收尾速度)。 m g f1 f2 grv)( 9 2 2 收尾速度收尾速度 应用：计算沉降速度；测量液体黏度应用：计算沉降速度；测量

24、液体黏度 grrvgr 33 3 4 6 3 4 五、层流和湍流 n层流：流速不是很大，各流层彼此不相混 合而只作相对滑动的情况。特点：无声 n湍流：当流速不断增大时，层流将被破坏， 这时流体作不规则的运动，在垂直于管轴 的方向上将有分速度产生。特点：伴有噪 声 型型 模模 流流 湍湍 层流和湍流的判断方法：雷诺数层流和湍流的判断方法：雷诺数 z 图2.3 一缕上升的烟雾从 稳流到非稳(湍)流的过渡。 雷诺数 n临界雷诺数：Rec n当ReRec时为层流 n当ReRec时为湍流。 n实验表明，当液体在管道中流动时，临界雷诺 数Rec为10001500 vr Re 应用：心音听诊，血压测量应用：

25、心音听诊，血压测量 例 题 血液的粘度 = 4.0103 Pas，密度 = 1.05103 kgm3，主动脉半径r=1102 m，临界雷诺数 Rec=1000，求血液的临界速度？ r v vr c c Re Re )sm(4 . 0 101005. 1 100 . 41000 1 23 3 v 人在静息时，整个心动周期内主动脉血流人在静息时，整个心动周期内主动脉血流 平均速度为平均速度为0.2 m/s，层流范围，但在心脏收，层流范围，但在心脏收 缩开始射血期内速度将超过临界速度。缩开始射血期内速度将超过临界速度。 血液的流动 n注意问题 n血压 n心脏做功 注意问题 （1）血液是非牛顿流体，而

26、本章所有 的黏性流体公式均是指牛顿流体。 （2）血管具有弹性，和刚性管腔不同 （3）血液流动近似满足伯努利方程和 泊肃叶定律的条件。 n当左心室收缩向主动脉排血时，主动脉中的血压 达到的最高值，称为收缩压(systolic pressure)。 n在左心室舒张期，主动脉回缩将血液逐渐注入分 支血管，血压下降达最低值，为舒张压(diastolic pressure)。 n收缩压和舒张压之差，为脉压(pulse pressure)。 收缩压的高低与主动脉的弹性和主动脉中 血量有关，舒张压的高低与外周阻力有密切关系。 血压血压 主动脉中的血压是随着心脏的收缩和 舒张而周期性变化的。 由于血液是粘性流

27、体，所以从主动脉 到静脉，血压是逐渐下降的。 正常血压值：正常血压值： 收缩压收缩压:12-18.7:12-18.7千帕（千帕（9090140mmHg140mmHg） 舒张压舒张压:8-12:8-12千帕（千帕（606090mmHg90mmHg） 心脏做功 心脏有节律地收缩与舒张，不断对血 液作功，弥补血液循环过程中的能量损 耗，维持血液循环继续进行。在粘性流 体的伯努利方程中，对血液循环系统而 言，其修正量w为血液流动中克服内摩擦 力作功的能量损失。 左心室左心室 主动脉主动脉 毛细血管毛细血管 上、下腔上、下腔 静脉静脉 右心房右心房 体循环体循环 右心室右心室 肺动脉肺动脉 毛细血管毛细

28、血管 肺静脉肺静脉 左心房左心房 肺循环肺循环 22 2121 21 2 1 )(vvhhgPPwL 2 1 1 2 1 vPwL 21 1 2 1 6 v P wR 21 1 6 7 v P www RL 流体力学流体力学 理想流体理想流体实际流体实际流体 定常流动定常流动伯努利方程伯努利方程层流层流 黏滞定律黏滞定律连续性方程连续性方程 湍流湍流 应用应用 汾丘里计汾丘里计 皮托管皮托管 体积流量体积流量 质量流量质量流量 雷诺数雷诺数 伯努利方程伯努利方程 泊肃叶定律泊肃叶定律 粘滞公式粘滞公式 黏度黏度 心脏做功心脏做功 测量黏度测量黏度 收尾速度收尾速度 总 结 流体静力学：流体静力

29、学： Density 若若 1= 2，则两，则两相干波源做同相振动相干波源做同相振动: : 最小Akkxx), 2 , 1 , 0( 2 ) 12( 21 最大Akkkxx), 2 , 1 , 0( 2 2 21 三、驻波三、驻波standing wave n驻波形成的条件驻波形成的条件 n驻波方程驻波方程 n驻波的波腹和波节驻波的波腹和波节 n驻波的特点驻波的特点 驻波驻波standing wave n驻波驻波：可由可由振幅相同、传播方向相振幅相同、传播方向相 反的两列相干波反的两列相干波叠加而成，这是一叠加而成，这是一 种特殊的干涉现象。种特殊的干涉现象。 驻波方程驻波方程standing

30、 wave equation n前提：前提：振幅相同、传播方向相反的两列振幅相同、传播方向相反的两列相干波相干波 )(cos 1 c x tAs)(cos 2 c x tAs 分析分析：在两波相遇处，各质元的合位移为在两波相遇处，各质元的合位移为： )(cos)(cos 21 c x tA c x tAsss t x As cos) 2 cos2( 驻波方程驻波方程standing wave equation 由此可见，在形成驻波时，波线上的各由此可见，在形成驻波时，波线上的各 质元都以同一频率做简谐振动，但不同质元质元都以同一频率做简谐振动，但不同质元 的的振幅随其位置振幅随其位置x x作周

31、期性的变化作周期性的变化 t x As cos) 2 cos2( 振幅因子振幅因子简谐振动因子简谐振动因子 )(cos c x tAs 波腹和波节波腹和波节wave loop （2）求出）求出t=1.0s时时,距波距波 源源20m处质点的位移、速度和加速度处质点的位移、速度和加速度. 解：设波动方程为解：设波动方程为 )(cos u x tAy 代入代入A=0.040m,=2.5rads-1,u=100ms-1 ) 100 (5.2cos040.0 x ty (m) （2）在）在 x =20m处质点的振动方程为处质点的振动方程为 20 0.040 cos 2.5 () 100 yt 0.040

32、 cos(2.5 0.50 )t (m) t =1s时时,该处质点的位移为该处质点的位移为 0.040 cos(2.5 0.50 )yt 2 100.4 (m) 该处质点的速度为该处质点的速度为 d sin(2.5 0.50 )0 d y vAt t 该处质点的加速度为该处质点的加速度为 2 2 2 d sin(2.50.50)2.5 d y aAt t ms-2 一平面简谐波一平面简谐波, A0.10m,T=0.50s,=10m,已知坐标原点按已知坐标原点按 的规律振动的规律振动.试求试求：（：（1）此平面简谐波的波动方程）此平面简谐波的波动方程;（2）波线上相距）波线上相距2.5m的两点的

33、的两点的 相位差相位差;（3）若）若t=0时位于坐标原点的质点的位移为时位于坐标原点的质点的位移为y0 = +0.050m,且向平衡位置且向平衡位置 运动运动,求出初相位并写出其波动方程求出初相位并写出其波动方程. )cos(tAy 解：设波动方程为解：设波动方程为 )(2cos x ftAy 代入代入 A=0.10m,=10m, 0 . 2 1 T fs-1 得波动方程为得波动方程为 0.10cos2(2.0) 10 x yt(m) 解：设波动方程为解：设波动方程为 )(2cos x ftAy （2）设一点位于）设一点位于x处处,另一点位于另一点位于x+2.5m处处,它们的相位分别比原点落后

34、它们的相位分别比原点落后 2/x和 和2(2.5) /x 这两点的相位差为这两点的相位差为 (2.5)2 2 2 xx 0.10cos2(2.0) 10 x yt （3）t = 0时时 y = +0.050m代入坐标原点的振动方程代入坐标原点的振动方程 2 1 cos 3 因为因为 0sin 0 Av 所以所以 0sin 3 波动方程为波动方程为 0.10cos2(2.0) 103 x yt (m) 以速度以速度 v 沿垂直于墙沿垂直于墙E方向运动的声源方向运动的声源B,位于静止观察者位于静止观察者A与墙之间与墙之间,声源频率为声源频率为 f02040Hz.观察者观察者A所接收到的拍频所接收到

35、的拍频f3Hz,空气中声速为空气中声速为c340ms-1.求声源求声源B 的运动速度的运动速度 v =? A B v 解：解：设观察者接收到从声源直接发出的声波的频率为设观察者接收到从声源直接发出的声波的频率为f1, 接收到经墙反射后接收到的声波的频率为接收到经墙反射后接收到的声波的频率为f2 01 f vc c f A B v02 f vc c f 012 f vc c vc c fff 00 22 22 f c v f vc cv 一般情况下一般情况下,v c,所以有所以有 0.25m/sm/s 20402 3403 2 0 c v 超声波超声波 超声诊断仪的物理原理超声诊断仪的物理原理

36、Supersonic wave Physics principle of ultrasonic diagonstic apparatus 简谐运动简谐运动机械波机械波 判断方法判断方法 运动方程运动方程 特征量特征量 振动能量振动能量 振动合成振动合成 阻尼与共振阻尼与共振 波动方程波动方程 波的能量波的能量 波的干涉波的干涉 驻波驻波 多普勒效应多普勒效应 惠更斯原理惠更斯原理 复复 习习 声波声波超声波超声波 声压声压 声强级声强级 响度级响度级 特点特点 作用作用 产生原理产生原理 声阻声阻 声强声强 诊断原理诊断原理 最新进展最新进展 知识结构知识结构 超声成像仪超声成像仪 ultra

37、sonic imaging device 三维动态超声图像三维动态超声图像 超声波超声波 超声诊断仪的物理原理超声诊断仪的物理原理 一、一、声波的性质声波的性质 二、二、人的听觉范围人的听觉范围 三、三、超声波的性质超声波的性质 四、四、超声波在医学上的应用超声波在医学上的应用 五、五、总结总结 一、声波的性质一、声波的性质 properties of sound wave n超声和次声超声和次声 n声压和声阻声压和声阻 n声强声强 n反射和折射反射和折射 18901890年，年， 一艘名叫一艘名叫“马尔波罗号马尔波罗号”帆船在从帆船在从 新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。新西兰驶往英国

38、的途中，突然神秘地失踪了。 19481948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时， 一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述 惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人 还对船员的遇难原因进行了长期的研究。还对船员的遇难原因进行了长期的研究。 关于次声关于次声 infrasonic wave 经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的 “凶手凶手”，是一种为人们所不很了解的次声的声波。，是一种为人们所不很了解的次声的声波。 人体内脏固有的

39、振动频率和次声频率相近似人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似 （0.00010.00012020赫），倘若外来的次声频率与人体内赫），倘若外来的次声频率与人体内 脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的 共振共振 ，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳 鸣、恶心等等一系列症状。鸣、恶心等等一系列症状。 超声和次声超声和次声 supersonic wave v B，拇指的 指 向。负电荷方向相反。 （5）在电磁场中，带电粒子受到的力： sinqvBF )(BvEqF 电磁流量计electromagnetic fl

40、owmeter 电磁流量计是用来测量血液流速的仪器。设带有 离子的血液沿直径为D的血管中以速度v运动，接通 电源后，在铁芯间隙处产生如图所示的磁场。 BZ Y X v I D qvBqE DUE/ DB U v U是血管两端的电势差，D是血管直径。 E 电磁泵electromagnetic pump 电磁泵是利用作用在导电液体上的磁力来运送导电 液体的一种装置。将导电液体通以电流I，使电流方向 和磁场方向垂直，液体将受到一个沿管子方向的推力， 使其向前运动。 I F B 导电液体或血液导电液体或血液 在临床上常用来输送血液或其它电解质溶液。在临床上常用来输送血液或其它电解质溶液。 物质的磁性物

41、质的磁性 magnetic materialsmagnetic materials 这是一只青蛙浮 在磁场中的俯视图， 磁场由竖立在青蛙下 面的一个螺线管中的 电流产生。螺线管给 青蛙的向上磁力与青 蛙的重力平衡。然而 青蛙并没有磁性。 那 么，怎么会对青蛙有 一个磁力呢？ 磁性材料磁性材料 magnetic materialsmagnetic materials 如果所有原子中电子的轨道和自旋磁矩的 合成产生了一个净磁矩，则材料就是磁性的。 一般有三类磁性：抗磁性，顺磁性和铁磁性。 2 2、顺磁性顺磁性是一些包含过渡元素、稀土元素和锕类是一些包含过渡元素、稀土元素和锕类 元素的材料所具有的。

42、这种材料的每一个原子都具元素的材料所具有的。这种材料的每一个原子都具 有一个永久的合成磁矩。有一个永久的合成磁矩。顺磁质顺磁质 paramagnetismparamagnetism 1 1、抗磁性抗磁性是所有普通材料都具有的，但很弱。是所有普通材料都具有的，但很弱。 抗磁质抗磁质 diamagnetismdiamagnetism 3 3、铁磁性铁磁性是铁、镍和其它一些特定的元素的是铁、镍和其它一些特定的元素的 特性。特性。铁磁质铁磁质 ferromagnetismferromagnetism , , 磁性材料磁性材料 1 1、顺磁质、顺磁质 3 3 磁介质的磁化磁介质的磁化 分子具有固有磁矩分

43、子具有固有磁矩 固有磁矩趋向外磁场方向固有磁矩趋向外磁场方向 表面出现束缚表面出现束缚( (磁化磁化) )电流电流 加强磁场加强磁场 j B 0 B 一、磁化的机制一、磁化的机制 2 2、抗磁质、抗磁质 分子固有磁矩(电子轨道、自旋磁矩的矢量和） 为零。但是，电子磁矩在外磁场力矩作用下进动产 生和外磁场反向的感生磁矩。 出现反向的表面束缚电流出现反向的表面束缚电流减弱磁场减弱磁场 j 0 B B 但感生磁矩但感生磁矩 0（f0） l 发散透镜的光焦度为负，0（f2f fv2f 倒缩小实 照相机 fu2f 倒放大实 幻灯机 uf 放大正虚 放大镜 对于薄凹透镜： 当物体为实物时，成正立、缩小的虚

44、像，像和物在透镜的同侧； 当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为一倍焦距（指绝对值）以内时，成正立、放大 的实像，像与物在透镜的同侧； (uf) 当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为一倍焦距（指绝对值）时，成像于无穷远； (u=f) 当物体为虚物，凹透镜到虚物的距离为一倍焦距以外两倍焦距以内（均指绝对值）时， 成倒立、放大的虚像，像与物在透镜的异侧；(fu2f) 光学研究光学研究光的传播光的传播以及以及它和物质相互作用。它和物质相互作用。 通常分为以下三个部分：通常分为以下三个部分： 几何光学：几何光学： 以光的直线传播规律为基础，以光的直线传播规律为基础， 波动光学：波动光学： 研究光的电磁性质和

45、传播规律，研究光的电磁性质和传播规律， 量子光学：量子光学： 以光的量子理论为基础，以光的量子理论为基础， 研究各种成象光学仪器的理论。研究各种成象光学仪器的理论。 是干涉、衍射、偏振的理论和应用。是干涉、衍射、偏振的理论和应用。 物质相互作用的规律。物质相互作用的规律。 主要主要 研究光与研究光与 特别特别 波动光学和量子光学，统称为物理光学。波动光学和量子光学，统称为物理光学。 Contents 波动光学波动光学 光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射 光的偏振光的偏振 杨氏实验杨氏实验薄膜干涉薄膜干涉单缝衍射单缝衍射 衍射光栅衍射光栅 偏振态偏振态双折射双折射旋光性旋光性 圆孔衍射圆孔衍射 糖

46、量计糖量计 瑞利判据瑞利判据Rayleigh Criterion ：如果一个物点的如果一个物点的艾里斑艾里斑 中心中心正好落在另一个物点的正好落在另一个物点的第一暗环（艾里斑边第一暗环（艾里斑边 缘）缘）重合。重合。则这两个物点恰好能被光学仪器所分则这两个物点恰好能被光学仪器所分 辨。辨。 光的干涉光的干涉 Optical interference 一、一、波的基本性质波的基本性质 二、二、光程和光程差光程和光程差 三、三、杨氏实验杨氏实验 四、四、洛埃镜洛埃镜 五、五、薄膜干涉薄膜干涉 一、一、 波的基本性质波的基本性质 The basic nature of the wave 1 1、波长

47、、波速、频率的关系、波长、波速、频率的关系 2 2、简谐波的波动方程、简谐波的波动方程 f T c c f 2 2 ) 2 cos()(cos x tA c x tAs 描述任意时刻任意位置质点振动的位移描述任意时刻任意位置质点振动的位移 3 3、波的干涉、波的干涉 条件：条件：两个相干波（两个相干波（频率相同，振动方向相同，频率相同，振动方向相同， 固定的相位差固定的相位差的波源所发出的简谐波）。的波源所发出的简谐波）。 设两个相干波波源的振动方程为：设两个相干波波源的振动方程为： P P点离波源点离波源O O1 1,O,O2 2的距离分别为的距离分别为x1,x2x1,x2，则两振动在，则两

48、振动在 P P点的相位差为：点的相位差为： )cos( 11 tAs)cos( 22 tAs )21( 2 xx ) 12 2 ) 12(21kkxx（，当 合振幅最小，合振幅最小，A=|A1-A2|。即。即波程差为半波波程差为半波 长的奇数倍时，振动减弱长的奇数倍时，振动减弱。 )2 2 )2(21kkxx（，当 合振幅最大，合振幅最大，A=A1A2。即。即波程差为半波长波程差为半波长 的偶数倍时，振动加强的偶数倍时，振动加强。 4 4、波的衍射、波的衍射 惠更斯原理：惠更斯原理：介质中波动到达的每一点都可以看作介质中波动到达的每一点都可以看作 是是新的波源新的波源，向各个方向发射子波。，向

49、各个方向发射子波。 波的衍射：波的衍射：波能绕过障碍物传播，这种现象称为衍波能绕过障碍物传播，这种现象称为衍 射。射。 二、光二、光 light 电磁波谱电磁波谱 l 光的颜色由光的颜色由光的频率光的频率决定的决定的 l 各种有色光在各种有色光在真空中的速度都相同真空中的速度都相同 l 光从一种介质进入到另一种介质其光从一种介质进入到另一种介质其频率不变频率不变，波，波 长和波速将改变。长和波速将改变。 l 不同色光的不同色光的折射率不同折射率不同，n=c/vn=c/v 红红 外外 380nm380nm560560450450490490630630590590760nm760nm 紫紫蓝蓝绿

50、绿黄黄橙橙红红 紫紫 外外 青青 520520 光在不同光在不同介介质中传播，速度和波长都与在真空中不质中传播，速度和波长都与在真空中不 一样一样（频率保持不变频率保持不变），定义：，定义： v c n (n=1) 透明介质的折射率透明介质的折射率 介质中的光速和波长介质中的光速和波长 真空中的速度和波长真空中的速度和波长 光从光从Q Q点经过几种折射率不同的均匀介质到达点经过几种折射率不同的均匀介质到达P P点，点， 所需的时间为：所需的时间为： ii ii i i c L xn cv x t 1 123m x1 x2 x3 x m Q P v1v2v3v m l 光程的本质就是：光程的本质