IV. Электромагнитные колебания и волны. Оптика. Физика атома и атомного ядра

1. Электромагнитные волны

Следует повторить все, что относится к гармоническим колебаниям, затем уяснить понятие синусоидальной волны.

Рассматриваются электромагнитные колебания в закрытом колебательном контуре – цепи, состоящей из катушки и конденсатора, способы получения незатухающих колебаний в генераторе.

Затем переходят к понятию открытого колебательного контура как источника электромагнитных волн в пространстве. Рассматриваются постулаты теории Максвелла, формула для скорости электромагнитной волны. Необходимо уметь графически изобразить структуру электромагнитной волны. Важно составить представление о непрерывности шкалы электромагнитных излучений, рассмотреть их виды (низкочастотные, радиоволны, микроволны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма-излучение), физические свойства, биологическое действие и применение.

 

2. Геометрическая и волновая оптика

Изучение оптики начинается с рассмотрения вопроса о развитии представлений о природе света. Следует уяснить, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами (корпускула – частица). Такая двойственность называется корпускулярно-волновой дуализм.

В геометрической оптике рассматриваются законы отражения и преломления, явление полного внутреннего отражения, физический и геометрический смысл показателя преломления, оптические схемы лупы и микроскопа, представления об устройстве и применении рефрактометра, световодов. В биофизике законы геометрической оптики применяются для рассмотрения механизма зрения – формирования изображения в глазу.

С точки зрения волновой оптики свет – это электромагнитная волна определенного диапазона на шкале всех волн. Волновая природа света подтверждается такими явлениями, как интерференция и дифракция.

Перед рассмотрением волновых явлений необходимо сформировать понятие спектра. Для этого рассмотреть явление дисперсии света в призме, затем разобраться различиях спектров – призматического, интерференционного и дифракционного.

Рассмотреть сущность интерференции как усиления или ослабления когерентных волн при их наложении, способы создания когерентных волн, применение интерференции и проявление в природе.

Дифракция представляет собой явление огибания препятствия или краев отверстия при условии, что размеры препятствия или отверстия соизмеримы с длиной волны. Уметь объяснить устройство и назначение дифракционной решетки.

Еще одно явление, рассматриваемое с позиции волновой оптики – поляризация света. Сущность поляризации в том, что поляризованный пучок света обладает неодинаковыми свойствами в различных плоскостях.

Знать принцип действия поляриметра, его применение.

 

3. Квантово-оптические явления

В этом разделе рассматриваются оптические явления, которые получили объяснение после возникновения квантовой теории.

Вначале следует разобраться в законах теплового излучения Стефана – Больцмана, Кирхгофа, Вина), введя предварительно понятия испускательной и поглощательной способности, абсолютно черного тела.

Эти экспериментальные законы получили полное теоретическое обоснование после введения Планком понятия кванта энергии и принятия дискретного характера излучения. Исходя из этого, Планк нашел вид функциональной зависимости ε = f(λ,T) и показал, что законы теплового излучения являются частными случаями этой функции.

Необходимо иметь представление о пирометрии – измерении температуры тел на расстоянии, и тепловидении.

В основе теоретического обоснования явления фотоэффекта лежит представление об излучении как о потоке частиц – фотонов, которые обладают при движении импульсом и массой. Следует знать формулу Планка для энергии фотона, его импульса и массы, уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Знать области применения фотоэффекта.

Явление люминесценции рассматривается на основе представлений о теории атома водорода Бора. Вначале знакомятся с упрощенной моделью строения атома – планетарной, рассматривают ее недостатки. Затем знакомятся с постулатами Бора, которые устраняют противоречия. Вводится понятия «возбужденный атом», «стационарная орбита», «разрешенный энергетический уровень», «спонтанное излучение».

Рассматривается квантовая сущность явления люминесценции, ее виды, проявления в природе и практическое применение.

 

4. Основы атомной и ядерной физики

Явление радиоактивности было открыто благодаря вниманию, которое обращалось учеными на все явления излучения после открытия Рентгеном нового вида электромагнитного излучения. Поэтому для лучшего усвоения свойств радиоактивного излучения необходимо выяснить все, что связано с открытием, природой, свойствами и применением рентгеновских лучей.

Далее рассматривается явление радиоактивности – самопроизвольное испускание излучения, состоящего из трех компонент, обозначенных Резерфордом буквами α, β, γ. Необходимо знать природу этих лучей, виды радиоактивного распада атомов, уметь написать формулу закона радиоактивного распада, примеры реакций распада.

Необходимо знать состав ядра атома, свойства составляющих его частиц и природу сил, связывающих их. Знать формулы дефекта массы и энергии связи ядра. Уметь расшифровывать символическую запись ядра и пользоваться данными таблицы Менделеева для характеристики ядер атомов.

Необходимо уметь объяснить особенности реакции деления тяжелых ядер – основы атомной энергетики, а также реакции синтеза легких ядер (термоядерная реакция). Знать преимущества и проблемы атомной энергетики, проблемы и перспективы термоядерной.

 

 

Рекомендуемая литература

 

Основная:

1. Грабовский, Р.И. Курс физики / Р.И. Грабовский. - СПб.: «Лань», 2002.

2. Журавлев, А.Н. Основы физики и биофизики / А.Н. Журавлев, А.С. Белановский, В.П. Пронин. – М.: Колос, 2002

3. Белановский А.С. Основы биофизики в ветеринарии. – М.: Дрофа, 2007

4. Шталева, Н.Р. Биофизические основы действия электромагнитных излучений на живые организмы/ Н.Р. Шталева. – Троицк: УГАВМ, 2005 – 64 с.

Дополнительная:

 

5. Царев, Ю.С. Курс лекций по физике. Ч.I./ Ю.С. Царев. - УГАВМ, 2002.

6. Царев, Ю.С. Курс лекций по физике. Ч.II./ Ю.С. Царев. - УГАВМ, 2003.

7. Сборник задач по физике /Под ред. Грабовского Р.И. - Санкт-Петербург: «Лань», 2002.

8. Царев, Ю.С. Методические указания к лабораторному практикуму по физике / Ю.С. Царев. - УГАВМ, 2000.

9. Антонов, А.В. Биофизика /А.В. Антонов, А.М. Чепныш, В.И. Пасечник, С.А. Вознесенский и др.. – М.: Владос, 2001.

10. Старченко, С.А. Биофизика 10 / С.А. Старченко. – Ч.: ЧГПУ, 1997

11. Трофимова, Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов / Т.И, Трофимова - М.: Высшая школа,2007.

12. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики / Т.И. Трофимова. - М.: Высшая школа, 2000.

13. Трофимова, Т.И. Физика в таблицах и формулах: учеб. пособие для студентов вузов / Т.И. Трофимова. – М.: Высшая школа,2008.

14. Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н, Ремизов. - М.: Высшая школа, 2000.

15. Трофимова, Т.И. Сборник задач по курсу физики с решениями: Учебное пособие для вузов / Т.И. Трофимова, З.Г. Павлова. – М.: Высшая школа, 2002.

16. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики / В.С. Волькенштейн. – М.: Наука, 1979.

17. Чертов, А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике / А.Г, Чертов, А.А.

Воробьев. – М: Высшая школа, 1981.

 

 

Вопросы для экзамена

(с кратким содержанием)

 

I. «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ»

1. Материя: движение материи. Элементы динамики/ Материя, ее виды. Движение материи. Основные направления взаимосвязей физической и биологической наук; биофизика. Масса, сила, вес; их единицы. Невесомость и перегрузки. Правильное ли выражение «привесы животных»? Почему?

2. Энергия, работа, мощность. /Энергия; полная энергия и энергия покоя. Закон взаимосвязи энергии и массы. Механическая энергия и ее виды: кинетическая и потенциальная. Закон превращения и сохранения энергии. Механическая работа и мощность. Единицы работы, энергии и мощности/.

3. Вращательное движение твердого тела/ Определения вращательного движения; основные величины, характеризующие вращательное движение: момент силы, момент инерции, угловое ускорение; их единицы. Основной закон динамики вращения твердого тела. Работа рычагов в опорно-двигательном аппарате животных/.

4. Гидродинамика идеальных жидкостей /Понятия «идеальная жидкость», «стационарный поток». Уравнение неразрывности потока. Давление, единица давления. Статическое, динамическое, гидравлическое (весовое) и полное давления; уравнение Бернулли; способы измерения статического и динамического давлений/.

5. Гидродинамика вязких жидкостей /Понятие «вязкая жидкость», уравнение Ньютона для силы внутреннего трения; коэффициент вязкости, его единица. Законы Пуазейля и Стокса как основа методов измерения коэффициентов вязкости. Ламинарное и турбулентное течения жидкостей. Число Рейнольдса как характеристика перехода от ламинарного к турбулентному течению/.

6. Механические колебания /Определение колебательного движения; характеристики колебательного движения: период, частота, смещение, амплитуда, их единицы. Свободные (собственные) и вынужденные колебания, их уравнения; возвращающая и вынуждающая силы, резонанс. Энергия колеблющегося тела; затухающие колебания. Примеры колебаний и резонанса в живой природе/.

7. Механические волны /Определение волны; волны продольные и поперечные. Характеристики волны: частота, длина, их единицы. Скорость распространения волны, ее зависимость от свойств среды. Энергия и интенсивность волны, их единицы/.

8. Слышимый звук /Определение звука, диапазон частот слышимого звука, источники звука. Интенсивность звука, порог слухового и болевого ощущений. Закон Вебера-Фехнера, уровни интенсивности и громкости звука, их единицы.

9. Физические основы функционирования голосовых и слуховых аппаратов у животных. Инфразвук /Представления о строении и «работе» голосовых и слуховых аппаратов животного. Природа инфразвука, диапазон частот инфразвука, источники инфразвука. Физические свойства и биологические действия инфразвука/.

10. Ультразвук /Природа ультразвука, диапазон ультразвуковых частот. Источники ультразвука: магнитострикционный, пьезоэлектрический: понятие об их действии. Физические свойства ультразвука и его взаимодействие с веществом. Понятие об использовании ультразвука животными для локации/.

II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

11. Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ). Законы идеального газа /Определение МКТ, основные положения МКТ, понятие об абсолютной (термодинамической) температуре и числе степеней свободы молекулы. Идеальный газ, основное уравнение МКТ идеального газа, уравнение Менделеева-Клапейрона. Внутренняя энергия идеального газа, величина внутренней энергии у моля и любой массы газа/.

12. Реальные газы и пары /Понятие о реальном газе и паре; из сходства и различия. Насыщенный пар, практическое состояние вещества, критическая температура. Учет размеров молекул и сил притяжения между ними в реальных газах; уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы; анализ изотерм Ван-дер-Ваальса. Понятие о сжижении газов. Понятие о сжижении газов и использовании сжиженных газов в практике животноводства/.

13. Явления переноса /Понятие «градиент физической величины», «градиент температуры», «средняя длина пробега молекулы». Общее уравнение переноса. Теплопроводность и вязкость как частные случаи переноса, законы Фурье и Ньютона. Теплопроводность как составная часть переноса теплоты в живых организмах и теплообмена живых организмов с окружающей средой/.

14. Диффузия и осмос /Понятие «градиент плотности». Диффузия; уравнение Фика. Понятия «раствор», «растворитель», «растворенное вещество», «концентрация раствора», «полупроницаемая мембрана». Осмос, уравнение Вант-Гоффа. Диффузия и осмос в биологических системах/.

15. Молекулярные явления в жидкостях /Понятие «жидкое состояние» вещества. Поверхностный слой в жидкостях, молекулярное давление и поверхностное натяжение; коэффициент поверхностного натяжения, его диагностическая роль. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления, формула Борелли-Жюрена. Капиллярные явления в почве и биологических процессах/.

16. Твердые упругие тела/ Понятие «твердое состояние вещества», кристаллические и аморфные тела. Понятия «деформация», «абсолютная и относительная деформация». Закон Гука, модуль упругости как характеристика упругих свойств вещества. Деформации биологических тканей/.

17. Первый закон термодинамики в физике и биологии /Термодинамические параметры и процессы. Понятие «изолированная термодинамическая система». Изменения внутренней энергии у систем: совершение работы и теплопередача (теплообмен), способы теплопередачи.

18. Физические основы терморегуляции организма /Сущность терморегуляции; понятия «теплопродукция» и «удельная теплопродукция» животных, их зависимость от массы животного. Перенос теплоты в живых организмах. Теплообмен животного с окружающей средой; виды теплообмена (теплопроводность, конвекция, излучение, испарение), их физическая сущность, формулы и особенности проявления в организмах/.

19. Второй закон термодинамики /Понятие энтропии. Второй закон термодинамики для изолированных систем. Принципы действия тепловой машины и холодильной установки. Идеальная тепловая машина, ее КПД. Принцип возрастания энтропии в изолированных системах; равновесное состояние/.

20. Второй закон термодинамики в биологии /Понятие «открытая термодинамическая система»; живой организм как термодинамическая система. Проявления второго закона термодинамики в биологии; изменение и сохранение энтропии в живом организме, понятие «стационарное состояние», состояние жизни и смерти в терминах физики/.

 

III. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

21. Электростатика. / Строение атома. Планетарная модель атома. Понятия «электрический заряд», элементарный электрический заряд», «электрический заряд тела и иона». Единица заряда в СИ. Взаимодействие зарядов, закон Кулона. Стационарное электрическое поле (СЭП), его характеристики: напряженность, потенциал, напряжение; их единицы. Понятие о статическом электричестве и заземлении/.

22. Вещество в электрическом поле /Понятие «диэлектрик» и «проводник». Диэлектрики в электрическом поле: поляризация диэлектриков, диэлектрическая проницаемость, изменения диэлектрической проницаемости тканей организма при патологиях. Проводники в электрическом поле, электростатическая индукция. Электростатическая защита. Биологическое действие СЭП. Электроемкость проводников и тканей организмов; единица электроемкости, конденсаторы/.

23. Постоянный электрический ток в металлах /Понятия электрический ток и постоянный электрический ток; сила тока, единица силы тока. Природа тока в металлах. Понятие об электрическом сопротивлении и удельном сопротивлении проводника; единицы сопротивления и удельного сопротивления. Законы Ома для участка цепи и всей цепи. Тепловое действие тока, формулы работы и мощности постоянного тока/.

24. Постоянный электрический ток в растворах электролитов и живых тканях /Понятие электролит; природа электрического тока в растворах электролитов. Электролиз; законы электролиза. Постоянный ток в биологических объектах: ткани организма как проводники, способы включения живых тканей в электрические цепи, причины относительно большого удельного сопротивления тканей, закон Ома для участка с живой тканью, раздражающее действие постоянного тока, порог раздражения, реобаза, хронаксия/.

25. Магнетизм /Магнитное взаимодействие проводников с током, магнитное поле, постоянное магнитное поле (ПМП). Характеристики магнитного поля: индукция магнитного поля, магнитный поток, магнитный момент; их единицы. Вещество в ПМП, магнитная проницаемость, вещества диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные; природа магнетизма. Биологическое действие ПМП и геомагнитного поля/.

26. Электромагнитная индукция /Явление электромагнитной индукции; закон Фарадея для электромагнитной индукции; направление индукционного тока, правило Ленца и правило правой руки. Явление самоиндукции, эдс самоиндукции, индуктивность проводника, единица индуктивности/.

27. Переменный электрический ток /Понятие «переменный ток», получение переменного тока, ЭДС, напряжение и сила переменного тока, действующие (эффективные) значения параметров переменного тока. Сопротивление в цепях переменного тока: активное, индуктивное, емкостное и полное (импеданс); понятие о сдвиге фаз. Формулы работы и мощности переменного тока; коэффициент мощности/.

28. Прохождение переменного тока через живые ткани /Природа переменного тока в живых тканях. Полное сопротивление (импеданс) живых тканей переменному току, раздражающее действие переменного тока, его зависимость от частоты; дисперсия электросопротивления живой ткани и ее диагностическое значение, сдвиг фаз в живой ткани, реография. Понятие об эквивалентных электрических схемах биологических объектов/.

29. Биоэлектрические явления /Представления о строении и свойствах клеточных мембран, транспорт веществ через мембраны. Биоэлектрические потенциалы. Механизм образования биопотенциалов покоя и действия; уравнение Гольдмана. Измерение (регистрация) биопотенциалов: биопотенциалы в ветеринарии: ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ/.

30. Элементы электроники /Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы); их устройство, принципы работы и применения. Устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки; понятие об устройстве и применениях электронного осциллографа. Выпрямленный ток; одно\двухполупериодная схема выпрямления тока. Графики выпрямленного тока. Понятие об электрическом фильтре/.

 

IV. ЭЛЕКТРОМАГНПИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. ОПТИКА.

31. Электромагнитные колебания в колебательном контуре /Колебательный контур, явления в колебательном контуре (электромагнитные колебания). Формула Томсона, схема и принцип работы генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Получение высокочастотных электромагнитных колебаний/.

32. Электромагнитное поле /Основные положения теории электромагнитного поля (ЭМП); электромагнитные волны, шкала электромагнитных волн. Взаимодействие ЭМП радиодиапазона с веществом, понятие о механизме действия высокочастотного ЭМП на живой организм. Техника безопасности при работе с ЭМП/.

33. Строение атома /Планетарная модель атома. Теория и постулаты Бора. Строение электронных оболочек атомов. Энергетические уровни в атоме. Механизм поглощения и испускания энергии атомом; понятия «невозбужденный атом» и «возбужденный атом»/.

34. Геометрическая оптика /Явления и закономерности отражения и преломления света. Понятия «показатель преломления», «оптическая плотность среды», «предельный угол преломления». Полное отражение света на границе двух прозрачных сред; понятие «предельный угол полного внутреннего отражения». Представления об устройстве и принципе работы рефрактометра, применение рефрактометра в ветеринарной и лабораторной практике/.

35. Природа оптического излучения /Электромагнитная природа оптических излучений; корпускулярно-волновой дуализм оптического излучения. Основные положения волновой и квантовой теорий природы света. Примерные диапазоны частот видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучений. Внутриатомные процессы, приводящие к излучению и поглощению видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей/.

36. Дисперсия и интерференция света /Явление дисперсии света, понятие «дисперсионный спектр», типы и виды спектров, спектроскопы и спектрографы; понятие о спектральном анализе. Интерференция волн; условия возникновения интерференционных максимумов и минимумов; интерференция света, условия для наблюдения устойчивой интерференционной картины; интерференция света на бипризме Френеля и тонких пленках/.

37. Дифракция и волновые свойства микрочастиц /Дифракция волн, дифракция света на дифракционной решетке. Использование дифракционной решетки для измерения длины волны света. Волновые свойства микрочастиц; формула де Бройля, дифракция электронов/.

38. Поляризация света /Понятия «естественный свет», «поляризованный свет»; получение поляризованного света, закон Малюса. Явление вращения плоскости поляризации света оптически активными веществами, коэффициент удельного вращения. Представления об устройстве, принципах действия и применениях поляриметров в ветеринарии и лабораторной практике/.

39. Тепловое излучение /Природа теплового излучения. Понятия «лучеиспускательная способность, лучепоглощательная способность, абсолютно черное тело». Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Представления о тепловом излучении тела животных и использовании тепловидения в ветеринарии/.

40. Поглощение света веществом./Явление поглощения света веществом. Формула Бальмера и Бугера. Представление о калориметрии/.

41. Фотометрия в ветеринарии и животноводстве /Энергетические и световые величины, их единицы измерения. Кривая видности. Фотометрические величины для ультрафиолетового излучения. Видимый свет от естественных и искусственных источников, его использование в животноводстве. Свойства, специфические и биологические действия инфракрасного и ультрафиолетового излучений в животноводстве/.

42. Фотоэлектрический эффект /Явления фотоэлектрического эффекта; механизм фотоэлектрического эффекта, уравнение Эйнштейна/.

43. Люминесценция. / Явление люминесценции, различные виды люминесценции. Фотолюминесценция, квантовый механизм фотолюминесценции, правило Стокса. Представления о биолюминесценции. Сверхслабое свечение/.

44. Оптические квантовые генераторы (лазеры) /Спонтанное и индуцированное (вынужденное) излучения; представления об устройстве и принципах работы лазеров. Физические и биологические свойства лазерного излучения; примеры использования лазерного излучения в медицине и ветеринарии/.

45. Биофизика зрительного восприятия /Строение органа зрения у млекопитающих: составные элементы светопроводящей системы глаза, их характеристики; световоспринимающая система глаза – сетчатка, строение сетчатки. Адаптация и аккомодация глаза; их механизм. Представление о механизме действия фоторецепторов и цветного зрения/.

 

V. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА.

46. Строение атомного ядра /Элементарные частицы и античастицы. Основные характеристики атомного ядра: масса, массовое число, заряд; их единицы и способы определения. Составные части атомного ядра, их количество в ядре и свойства; изотопы. Ядерные силы, дефект массы, энергия связи атомного ядра/.

47. Радиоактивность и ядерные реакции /Понятие «естественная радиоактивность», виды радиоактивных излучений, их свойства и природа. Радиоактивный распад, виды распада; основной закон распада, его характеристики – постоянная распада и период полураспада. Понятие «ядерная реакция». Понятие «искусственная радиоактивность»; представления о получении искусственных радиоактивных изотопов/

48. Дозиметрия ионизирующих излучений./ Экспозиционная, поглощенная, эквивалентная дозы ионизирующих излучений (определения, формулы, единицы измерения), мощности доз ионизирующих излучений. Представление о принципе действия газоразрядного счетчика. Представление об устройстве и принципе действия дозиметра/.