绪论医用物理学

what
什么是物理学？ “物”：即物质（包括实物和场） “理”：物质运动所遵循的基本的普遍的规律，包括机械
运动、分子热运动、电磁场运动、原子及原子核 运动等. 物理学的研究对象 物理学所研究的是自然界中物质运动的最基本的、最普遍的运动 形式和规律，包括机械运动、分子热运动、电磁场运动、原子及原 子核运动等. 从空间尺度上包括：小到微不足道的亚核粒子,大到浩瀚的宇宙. 时间尺度上，早至宇宙的起源，晚至遥远的将来.
迈尔 物理学家+医学博士 受静脉血的颜色启发 研究能量守恒和转换定律
亥姆霍兹 物理学教授+解剖学教授+生理学教授 在军医中写出论述“能量守恒定律”；揭示眼的聚 焦原理；发明眼底镜；研究听觉机理并发明亥姆霍 兹共振仪；第一个测定神经脉冲的传播速度30m•s-1； 证明肌肉收缩释放的热量是动物热的重要来源。
解：应力 F mg 9.98107 Nm2
A r 2
L0
应变 L 0.06 1.00103
L0 60
L0
杨氏模量
应力 应变
9.98
1010
Nm 2
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力，其单位面积的内力可反映出内力产生的强度， 定义为应力。
应力= 力/面积 （单位：1N/m2 =1Pa） 对应以上三种应变，其应力分别为：
a) 张应力 (=F/S)
b) 压应力 p(=F/S)
c) 切应力 (=F/S)
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说明：
1、三种应变是无量纲无单位的纯数，表程度，与物
体原有的状态(L0,V0等)无关
一.物质世界的空间尺度——宇宙的42个台阶 宇宙学、粒子物理的奇妙衔接
哈勃半径： 星系团： 银河系： 地球轨道半径： 太阳半径： 地球半径： 月球半径： 大分子： 小分子： 原子： 原子核： 基本粒子：
1026 m 1023 1021
10111AU
109 107 106 104 109 1010 1014 1016
究有了突破性发展。 4. 物理学的技术、方法为医学研究、治疗、诊断提供
许多新的途径。
医学
工程技术的 “知识之树”
• 物理学与医学的历史渊源
伽利略 物理学家+医学生 发明温度计测发烧
杨氏 物理学家+医生 用弹性理论测动脉血流中 的脉动，用衍射方法测细胞和纤维的直径；用光的 知识研究人眼的调节和散光、色觉的三色理论
应变公式 模量名称 模量公式
=L／L0
杨氏模量 E F l0
S l
= tan = –V／V
体变模量 切变模量
K
V0
P V
G Fd S x
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例1-5 人骨骼上的肱二头肌，可对相连的骨骼施
加约600N的力，设肱二头肌横截面面积的平均值
为 S1 5.0103m2 ,与骨骼相联肌腱的横截面积的 平均值为 S2 5.0105m2 ，试求肱二头肌和肌腱的 张应力。
c
性
a b 非正比关系，
b a
ab
但在弹性限度内
塑 b c 塑性范围
o a b
c
性 若 b , a 的差值大，则材料的 a为正比极限
可塑性强，具延展性，差值 b为弹性极限
小则可塑性弱，脆性。
c为断裂点
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2、弹性模量 正比极限范围内，应力与应变成正比（即胡克定律）， 应力与应变的比值为一恒量，称该物体的弹性模量：
爱因斯坦 发展独立思考和独立创新的一般能力
，应当始终放在首位，而不应当把知识 放在首位。
如果一个人掌握了他的学科的基础理 论，并且学会了独立思考与工作，他必 定会找到自己的道路。
（2）要有创新勇气 不怕名人权威。
“进步道路上的绊脚石是， 也一向是， 不容许怀疑的传统 ” 吴健雄
● 严谨
精确定量、逻实现了登月。
“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，
而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，
并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力
是科学研究中的实在因素 ”
爱因斯坦
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3、怎样学物理学 how
➢物理学的研究方法
观察 实验
分析、概括 判断、推理
定理 理论 假说
实践
完善
① 观察和实验是物理学的基础. ② 分析、概括、判断、推理是在以上基础上进行
说明：
1、弹性模量表示物体形变难易程度，一般只与材料 本身性质有关，弹性模量越大，越不易形变；
2、正比极限范围内，模量为常量，超过正比极限， 模量不为常量；
3、模量与形变有关的物体为非线形弹性体，如生 物材料。
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总结:
应力类型
张应力
压应力
切应力
应力公式
(=F/S)
p(=F/S)
(=F/S)
2、液体（流体）只有体应变 固体有体应变和切应变
区别固液标准之一
3、应力表示内力产生的强度，有单位。
4、应力有切向与法向之分： 压应力 p(=F/S) （法向）
切应力 (=F/S) （切向）
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1、举例：拉伸应变与张应力之间的关系（弹性与塑性）
对不同的金属材料图形大致相同
弹 o a 正比关系
c
哥白尼 开普勒 伽利略 之后分为五次大综合
2.为什么要学物理学？ why
①虽然基本，但具有极大的普遍性. ②普遍存在于其它高级的、复杂的运动形式之中. ③物理学的基本知识成为研究其他自然学科不可缺少的基础.
• 物理学与医学的关系
1. 医学研究的高级的生命形态是以物理学为基础。 2. 医学研究（生命现象）≠ 物理学+化学 3. 近代物理学的发展以及派生出的新学科使医学研
主要讲三个问题：三W
什么是物理学 what 为什么要学物理学 why 如何学好物理 how
1.什么是物理学
物理学的历史可以上溯到古希腊的自 然哲学。事实上，在英文中的物理学 “Physics”源于希腊文中的“Фνσικα”。 意思是“自然”，从这可以看出，物理 学在早期是广泛研究自然界的一切事物 并对它们的演化、发展以及伴随它们发 生的种种现象进行讨论
解：根据张应力的公式，对肱二头肌，张应力为
1
F S1
600 5.0 103
Pa
1.2 105 Pa
对肌腱而言，张应力为
2
F S2
600 5.0 105
Pa
1.2 107 Pa
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例、 将 2 kg 的重物悬挂在圆柱型金属丝下，其长度 由 60.00 cm 变成60.06 cm . 金属丝直径为 0.05 mm， 试计算金属丝的应力、应变及杨氏模量。
从发现超导现象到 BCS 超导理论：46 年！
从玻色—爱因斯坦凝聚理论到实验证明：70 余年！
超弦理论:
60 年？
受控热核聚变： 100 年？
......
获诺贝尔物理奖的华裔物理学家
杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获1957年 诺贝尔物理学奖
获诺贝尔物理奖的华裔物理学家
丁肇中：
由于发现J粒子， 获1976年诺贝尔 物理学奖。
朱棣文：
由于激光冷却和 捕获原子的研究 获1997年诺贝尔 物理学奖。
崔琦：
由于在分数量子霍 尔效应量子现象的 研究获1998年诺贝 尔物理学奖。
（3）敢于想象
法拉弟：电磁作用通过场来传递，需要时间。
德布罗意：微观粒子同时又是一个波。
狄拉克：真空充满了负能态的电子，其中的空穴
就是正电子。
人们幻想象鸟一样在空中飞行才发明了飞机，
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➢ 物理学与数学
物理学是定量的科学，他不满足于定性地说 明现象或者简单地用文字记载事实，所以数学 就成了物理学不可缺少的工具。
▪ 欧几里德的几何学
▪ 牛顿的自然哲学的数学原理
▪ 麦克斯韦的电磁方程
➢ 物理学与科学精神
● 创新
想前人所未想 做前人所未做
• 创新精神的三个要素：
（1）要有创新意识
● 实验： 精确、定量、可重复 ● 理论： 正确、计算精确、推理逻辑 ● 语言： 精确、简洁、条理清晰
● 踏踏实实，百折不挠
1．科学无捷径 2．扎实基础，切莫急功近利 ！ 3．尝试，失败，
再尝试，再失败 . . . . .
焦耳测定热功当量精确值： 38 年！
相对论：
15 年!
从预言受激辐射到激光诞生： 44 年！
的，找出其内在、本质的联系.
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医用物理学 §1.2 物体的弹性
•应力和应变 •弹性模量
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质点:只考虑物体质量,忽视大小和形状.
刚体:考虑质量分布与大小,忽视在力作用下形状 的变化.
实际物体在受到力的作用时,其形状或多或少会 发生改变,形变问题也是力学中研究物体受力的一个 重要特征,在工程技术和生物医学方面也十分重要, 接下来介绍物体形变与力的关系.
常见的形变：长度，形状，体积改变。 用应变描述形变程度
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2、 应变
a) 张应变（拉伸应变）:表长度变化
=L／L0 ,
F
b) 切应变：表面施切力作用，
形状变化体积不变
Fd
= x/d = tan
c) 体应变：表体积变化而形状不变
= –V／V0,
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3、应力 物体产生形变时物体内部各处会产生一种内应
二. 物质世界的时间尺度
宇宙年龄：150 亿年 1018 s
地球年龄: 4.6 109年 1017 s 生命的诞生：约40亿年 人类：300万年（1014s） 中间玻色子寿命：10－24s
1018s ~ 1024s
共计跨越了42个数量级
大爆炸
宇宙年龄：
150亿年 (1018s)
星系年龄： 地球年龄：
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1、概念： 形变：物体在外力作用下,大小和形状发生的改变，
分永久形变和暂时形变。
弹性：当形变不超过某限度，外力撤除后形变随之 消失，物体会恢复原状，这种性质为弹性。
弹性形变：在一定形变限度内，外力撤除后物体恢复 原状的形变，为弹性形变。
塑性形变：形变超过一定限度，外力撤除后物体不能 恢复原状的形变，为塑性形变。
50亿年
46亿年 (1017s)
出现生命：
40亿年
富氧大气： 人类：
8亿年 3百万年 (1014s)
地球公转：
3.16 107 s
月球公转：
2.6 106s
地球自转：
105 s
中子寿命：
103 s
中间玻色子寿命： 1024s
物理学发展史
成为一门独立科学的标志——牛顿力学的建立 之前的代表人物——亚里士多德 阿基米德
弹性模量=应力/应变
弹性模量决定于物体材料性质，单位与应力同（N/m2)
a) 杨氏模量 E=拉伸应力/拉伸应变= /
E F l0 S l
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b) 切变模量 G =切应力/切应变=
G Fd S x
c) 体变模量 K =体应力/体应变= p /θ
K
P
V0
P V
(负号表示 p V
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