生物物理学提纲2015

生物力学

一.基本概念

1生物力学：应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。

2应力：受力物体截面上（△A）内力（△F）的集度，即单位面积上的内力。当△A趋于0时，为某一点的应力。

3应变：当材料在外力作用下发生形状的改变。

4应变率：应变的变化速率，即单位时间内增加或减少的应变；应变率是表征材料快速变形的一种度量，应变对时间的导数。

5本构方程：阐明应力、应变、应变率之间关系的方程式，它取决于物体的结构。

6生物力学研究基础：能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。

7生物力学研究类型：固体生物力学流体生物力学运动生物力学（传统）

组织与器官力学生物动力学生物热力学（现代）

8粘弹性：具有弹性固体的弹性和粘性液体的粘性

9泊松比：当细长物体被拉长时，同时会发生横向线度的相对缩短。实验表明横向的线应变与纵向线应变成正比，比例系数是材料的特征常数，称为泊松比。

10骨的弯曲与扭转：弯曲是连续变化的线应变的组合，扭转是连续变化的剪切应变的组合分布。

二．简答题

1.简述生物力学的不同分类：

固体生物力学流体生物力学运动生物力学（传统）

组织与器官力学生物动力学生物热力学（现代）

2.简述应力的不同类型：

同截面垂直的称为正应力，同截面相切的称为切应力。

3.弹性体和粘性体的本构方程：

对于拉伸和压缩：Ee

τ=；

对于剪切变形：

tan

G G

ταγ==；

对于体积变形：Kv

τ=。

其中，τ为应力，E 、G 、K 分别为杨氏模量（弹性模量）、刚性模量（剪切模量）和体积模量；e ，tan α和v 分别为线应变、切应变和体应变。

粘性体的本构方程——牛顿粘度定律。 粘性是物体形变时，内部反抗形变的摩擦力的表现，应力与应变率的最简单关系是二者成正比，切应变率公式为：

/d dt τηγηγ•

==

其中，η称为粘滞系数，简称粘度。上式称为牛顿粘滞性定律。

4.粘弹性的特征表现：松弛性 滞后性 蠕变性

5.骨受力（弯曲、扭转）应力-应变表现

弯曲：显然，梁的内部应力很小。骨骼的层状结构十分巧妙，最外层为韧性很好的骨膜，再向里为密质骨、疏质骨、骨髓腔，充分地发挥了骨组织的力学效能。

扭转：长度为l 的圆柱体在力矩作用下产生的扭转形变如图1。扭转圆柱体剪切应变沿径向的分布及沿轴向的分布如图2.

三．论述题（计算）

1.解释如图所示的拉伸应力与应变的关系曲线

点a 对应满足正比关系的最大应力，即正比极限。ab 段应力和应变不再满足正比关系,但撤外力后材料仍能复原,过b 撤外力后不再复原,而成塑性形变,d 对应发生弹性形变的最大应力,称为弹性极限，c 断裂点,对应强度极限。 2.写出Maxwell 模型的应变率、Vogit 模型、Kelvin 模型的外力F 的推导过程及计算 Maxwell

Vogit

Kelvin

3.骨受力现象及其相关计算

θθτθθσ2sin 2sin ，cos cos 0

20S F

S F S F S F ====

，)0(0

max S F =

=θσ

max

0max 2

1

2)4

( σπ

θτ==

=

S F

图2-6由于骨是粘弹性体,当受到过大拉力作用,易在干骨区出现断裂;且由上式分析形成垂直断面;受压损伤则多发生在蠕变区,主要由剪切形变起作用,因而受压损伤的断裂面为45°的斜面。

图2-7弯曲而产生的骨折将会发生特征的“Y”缺口，并易形成游离碎骨.由于骨的抗压强度大于抗张强度，骨折在拉伸一侧（即底侧）开始，下面形成 = 0的竖直断裂面，随着未断裂截面积的减小，应力增大，当受压部分达到抗压限度时，将沿着＝45°的两个斜截面分开。

放射生物物理

现实中的辐射现象：

天然辐射源：宇宙射线地下矿藏体内微量放射性元素

人工辐射源：核反应堆带电粒子加速器医学放射源核武器电脑手机

射线与物质的相互作用及效应（图表）

防护材料（X射线、γ射线、β射线、中子）

防X、γ射线选铅、铁、水泥、砖等。

高质量物质防β射线选铝、有机玻璃、塑料等

低质量物质防种子选石蜡、硼酸和水等。

防护的基本原则：

正当化原则最优化原则限值化原则

外照射防护三要素：

防护时间距离防护屏蔽防护

放射性活度、吸收剂量、当量剂量、有效剂量的物理含义及其计算

与DNA直接作用通过自由基与DNA作用

纯物理过程物理、化学过程

液态环境损伤

专业术语的解释，如：ICRP、粒子注量、比铅当量等。

铅当量：用铅作为比较各种防护材料的屏蔽性能的标准,把具有一定厚度的某屏蔽材料对应相同屏蔽效果的铅层厚度,称为该屏蔽材料在该厚度下的铅当量,单位厚度防护材料的铅当量叫比铅当量.

粒子注量：进入具有单位截面积小球的粒子数.

ICRP：国际辐射防护委员会

生物物理技术

名词解释

渗透压：用理想半透膜将纯溶剂和溶液隔开，发现溶剂透过半透膜向溶液作单方向渗透。渗透的结果导致溶液一侧的液面上升，在半透膜两侧产生压强差，达到平衡时出现的压强差称为溶液的渗透压Π。

相对黏度：溶液黏度与溶剂黏度的比值

溶剂

溶液ηηη=

r

增比黏度：溶液黏度与溶剂黏度增加的相对值，反映溶质对溶液黏度的贡献。

溶剂

溶剂

溶液ηηηη-=

sp

比浓黏度：单位浓度的溶质对黏度的贡献。

C sp c ηη=

特性黏度：溶液浓度无限稀释时的比浓黏度，其值与浓度无关。它反映个别溶质分子对溶液黏度的贡献。它只与溶质分子结构、大小及在溶液中形态有关。

[]C sp

C ηη0lim

→=

透光率：透过透明或半透明体的光通量与其入射光通量的百分率。

0I I T =

紫外可见光吸收光谱：利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见光谱及吸收程度对物质的组成、含量和结构进行分析、测定、推断的分析方法。

荧光光谱术：荧光光谱术是利用某些物质被一定波长的光照射所产生的、能够反映物质特性的荧光来进行物质的定性和定量分析的方法。

红外吸收光谱的指纹区：1300~650cm -1区域：吸收光谱较复杂，除单键的伸缩振动外，还有变形振动。能反映分子结构 的细微变化——指纹区

如何发生荧光淬灭效应：荧光强度对温度变化敏感，温度降低时，溶液的黏度增大，荧光分子与溶剂分子的碰撞减少。温度增加，外转换去活的几率增加。温度过高时，会造成荧光淬灭。溶液的浓度较低时，荧光强度与荧光物质的浓度成正比，当达到一定浓度后就不再有这种关系，浓度过大时发生荧光淬灭。

荧光寿命：荧光寿命τF 分子处于激发态的平均时间。如果荧光衰减符合指数衰减规律，荧光寿命就是发光强度衰减到e-1时所需时间。

隧道效应：粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。