医用物理学

一、物理学的研究对象和方法 物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的一门自然科学，是自然科学的基础。它的研究对象十分广泛，包括宇宙、宏观、微观世界，它对科学技术的发展起了至关重要的作用。 自然界是由运动着的物质组成的，没有运动的物质和没有物质的运动都是不存在的。大到宏观物体，如天体的运行，小到微观物质，如分子、原子的运动及生物体的代谢过程都有力地证明了物质是在不停地运动着。虽然这些运动的形式各不相同，多种多样，如机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子核内的运动等，但是它们既服从物质运动共同的普遍规律，又各自有其独*的规律。物理学是研究物质运动的普遍规律和基本性质的科学。物理学所研究的物理现象、获得的物理定律等存在于一切自然现象和规律之中，与一切自然现象都有着不可分割的内在联系。一切自然现象，无论有生命的，还是无生命的，都遵从物质运动中*基本的能量守恒定律、万有引力定律等。因此，物理学的理论和定律具有极大的普遍性，是其他自然科学和一切应用技术的基础。 物理学是以实验为基础的学科，因此物理学的研究方法大体上可归结为：观察现象—假说或假设—实验验证—理论总结的研究模式。 观察现象是科学研究的开始，是接触外界事物的**步，只有在观察中才能发现矛盾，捕捉问题并提出解决问题的方法。 理论的作用不仅仅是将观察得到的资料加以分析、综合、推理，使之成为一般性的规律，更重要的是在没有揭示事物的本质之前，应假说或假设并据此推测结果。结果可有不同的层次，其一是用已知原理对推测对象作定性解释；其二是用现有理论进行逻辑推理和数学演算，对推测对象作定量分析；其三是提出前所未有的新理论去说明推测结果。 实验是科学研究的基础，一切理论预言、结果推测*终都要通过实验来验证，以观察或实验的事实为准则。在其被证实之后，再上升到理论总结的高度。 总之，自然科学的很多规律是通过实验发现的，其理论是通过实验反复验证而总结出来的。因此，理论与实践相结合，是科学研究的正确途径，是辩证唯物论的认识法则。 二、物理学与医学的关系 医学是研究生物机体的正常生命活动规律以及患病肌体的某些特殊现象的科学，在自然界中属于较复杂、较高级的物质运动形式。特殊性存在于普遍性之中，较复杂、较高级的运动形式，除遵循自身特有的规律外，还必须遵循物质运动的普遍规律。 随着科学技术的不断进步以及人类对生命现象认识的逐渐深化，生命科学已经从宏观形态的研究进入微观机制的探讨，从细胞水平提高到分子水平，从定性分析提高到定量分析。生物物理学的发展对阐述生命现象的本质做出了巨大的贡献，它从理论上和实验上都无可争辩地说明了物理学与医学和生物学之间的内在联系。例如1953年生物学家沃森(J.D.Watson)、物理学家克里克(F.H.Crick)发表了“脱氧核糖核酸(DNA)结构”的论文，然而他们的发现在很大程度上是依靠化学家富兰克林(R.E.Franklin)与物理学家威尔金斯(M.Wilkins)所拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片。他们在同一时间都致力于研究遗传基因的分子结构，在合作中发挥各自的专长。正是由于物理学、化学和生物学多学科的交叉研究，才导致DNA双螺旋结构这一具有里程碑意义的重大发现，并由此引发了遗传密码的破译及遗传工程的创立。 物理学的发展已经历了三次重大的突破，每次突破都促进了医学的发展，生命科学研究和医疗实践中越来越广泛地采用物理学的技术和方法。让我们回顾一下：17世纪到18世纪，由于牛顿运动定律的建立及热力学和光学的发展，物理学家和医生们的许多发明在医学中得到了广泛应用，并弥补了医学检测手段的不足。例如，1867年英国医生奥尔巴特(T.Allbutt)研制成功水银体温计；1896年意大利医生里瓦罗基(S.Riva-Rocci)发明了腕环式血压计；17世纪60年代，英国物理学家胡克(R.Hooke)用自己设计制造的复式显微镜**次观察了栎木的细胞；马尔皮基(M.Malpighi)则首先发现了红细胞、肾小球，描述了肺泡的结构，他是用显微镜研究解剖学的创始人。到了19世纪，在法拉第(M.Faraday)和麦克斯韦(J.C.Maxwell)的电磁理论推动下，人类进入了应用电能的时代。这一期间，物理学的技术和理论对医学发展促进较大的有两件事。其一是X射线的发现。1895年德国维尔茨堡大学物理学家伦琴(W.C.Rontgen) 在研究阴极射线时，偶然发现了一种新的未知射线，即X射线。几天后，伦琴利用X射线照射了他夫人的手掌，拍摄了世界上**张X射线照片。进一步的观察和实验证实了X射线是电磁波家族中的一员，它的波长很短，具有贯穿物质的本领，并很快在医学上应用。其二是1889年沃勒(A.C.Waller)提出的心脏电偶极子模型，为心电图的记录提供了理论基础。20世纪以来，由于爱因斯坦(A.Einstein)的相对论以及薛定谔(E.Schrodinger) 、海森伯(W.K.Heisenberg)等的量子力学的建立，人们对原子与原子核结构的认识日益加深，并实现了核能和放射性同位素的利用，促进了核磁共振、激光等新技术的发展。20世纪70年代以后，电子计算机技术飞速发展并日臻成熟，在与物理学和医学相结合的领域得以大显身手。1972年英国工程师亨斯菲尔德(G.N.Hounsfield)利用美国物理学家科马克(A.M.Cormack)所创立的影像重建理论，发明了X射线计算机断层成像(X-CT)。美国纽约大学的劳特伯(P.C.Lauterbur)和曼斯菲尔德(P.Mansfield)为开发磁共振成像(MRI)做出了重大贡献。除了X-CT、MRI等这样大型的医学影像设备之外，还有微型计算机控制的一些人工器官也已在临床上应用。这些成果已成为医生们对疾病进行诊断和治疗的得力帮手，同时也强有力地促进了医学科学的现代化。 我们不难看出物理学与医学之间的紧密关系。可以这样说，无论是从两学科理论上的内在联系看，还是从物理学及其分支和边缘学科的发展而促进医学发展的角度看，或者是从基础医学、临床医学经常提出新的研究课题，要求用物理学的理论和技术加以协同解决的方面看，物理学与医学之间总是相互依存，相互促进，协调发展的。 综上所述，物理学与医学的关系归结为两个主要方面：①物理学知识是了解生命现象所不可缺少的基础；②物理学所提供的方法和技术，为医学研究和医疗实践开辟了许多新的途径。 “医用物理学”是高等医学院校学生必修的一门基础课。掌握物理学所提供的、与医学紧密结合的一些系统知识，对一个医学生来说是必不可少的。正确地认识物理学与医学的关系，是学好这门课程的关键之一。 教学要求： 1.掌握角位移、角速度、角加速度、转动惯量、角动量、应力、应变、弹性模量等概念，以及转动定律、角动量守恒定律的应用。 2.熟悉人体静力平衡及其条件。 3.了解应力、应变、弹性模量概念及骨骼的力学特性。 力学(mechanics)是研究机械运动(mechanical motion)客观规律的学科。它的内容可以分为运动学、动力学和静力学三个部分。运动学研究物体位置变化与时间的关系，动力学研究产生各种机械运动的原因，而静力学则研究物体在力或力矩作用下平衡的条件。本章将讨论与医学关系密切的刚体的转动、刚体的平衡、物体的弹性等力学基础知识。 **节刚体的转动 一、刚体的定轴转动 1.角位移、角速度、角加速度如果一个物体在外力的作用下，它的各个部分之间的距离都保持不变，或它的形状和大小都不发生变化，则这个物体称为刚体(rigid body)。若刚体上面各点都绕同一直线做圆周运动，这种运动称为刚体的转动(rotation)，该直线称为转轴。转轴固定不动的转动称为刚体的定轴转动(fixed-axis rotation)。 如图1-1所示，设一刚体绕定轴AA转动，在刚体内选取一个垂直于AA的参考平面，并在此平面上取一参考线Ox，刚体的方位由参考平面上任选的矢径OP与Ox的夹角.决定，在转动过程中，角随时间而变化。如果刚体在到的时间间隔内转过的角度为，则称为刚体在时间内的角位移(angular displacement)。角位移与时间间隔.t的比值，叫做刚体在时间间隔内的平均角速度。 当趋于零时，平均角速度的极限值叫做刚体在时刻的瞬时角速度，简称角速度(angular velocity)，用表示，其大小为 (1-1) 角速度的单位为。角速度是矢量，矢量的方向用右手螺旋定则确定：伸出右手，拇指与四指垂直，当弯曲的四指与刚体的转动方向一致时，拇指所指的方向就是角速度矢量的方向。 在变速转动中，刚体的角速度是变化的，其变化的快慢用角加速度表示。若在到时间间隔内角速度大小由变到，增量为，则在这段时间内的平均角加速度为。当趋于零时，平均角加速度的极限值即为刚体在时刻的瞬时角加速度，简称角加速度(angular acceleration)，即 (1-2) 角加速度的单位是。角加速度.的方向与方向一致。 2.角量和线量的关系P点在时间内的角位移为，当很小时，P点在时间内的位移可近似用表示，即，此式两边同除以，并取趋于零的极限，得 (1-3) 这就是刚体上任一点的线速度与角速度的关系式。 当P点做变速圆周运动时，P点的加速度a可分解为切向加速度at和法向加速度a，切向加速度的大小为 (1-4) 法向加速度的大小为 (1-5) P点加速度的大小 (1-6) 对于刚体的角加速度保持不变的匀加速转动，以表示刚体在时的角速度，以表示它在时刻的角速度，以表示它从0到时刻这一段时间内的角位移，仿照匀加速直线运动公式可得到匀加速转动的相应公式： (1-7) (1-8) (1-9) 二、转动动能与转动惯量 1.转动动能一个刚体可以看成是由许多质点组成的，假设这些质点的质量分别为，它们做圆周运动的速度分别为，那么所有这些质点的动能总和就是该刚体的转动动能，即 设刚体转动的角速度为，各质点到转轴的距离分别为，根据式(1-3)，相应的速度分别表示为，代入上式得 (1-10) 则刚体的动能Ek的表达式可以写成 (1-11) 2.转动惯量将式(1-11)与质点运动的动能公式比较，式(1-11)中的角速度.与质点的运动速度相对应，而则与相对应。质点运动中的质量是物体惯性大小的量度，所以是反映刚体转动惯性的物理量，称为转动惯量(moment of inertia)，