EGZAMIN Z BIOFIZYKI 2009

1. Zasady dynamiki Newtona, tarcie statyczne i dynamiczne

I zasada dynamiki Newtona (zasada bezwładności)

Jeśli na ciało nie działają żadne siły albo działają siły, których wypadkowa jest równa 0 (siły się równoważą), to ciało albo pozostaje w spoczynku albo porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym (ze stałą V po linii prostej)

II zasada dynamiki Newtona

Przyspieszenie z jakim porusza się ciało jest wprost proporcjonalne do siły wypadkowej działającej na to ciało, a odwrotnie proporcjonalne do masy ciała.

III zasada dynamiki Newtona (zasada akcji i reakcji)

Jeżeli ciało A działo na ciało B z pewna siłą, to i ciało B działa na ciało A z taką samą siłą, co do wartości i kierunku, ale o przeciwnym zwrocie.

F_AB= -F_BA F_AB oznacza siłę, która działa na ciało A i która pochodzi od ciała B. te siły nigdy się nie równoważą, bo mają różne punkty przyłożenia.

Tarcie spoczynkowe (statyczne) - tarcie ślizgowe, występujące między dwoma ciałami gdy nie przemieszczają się względem siebie.

Siła tarcia równoważy siłę działającą na ciało. Maksymalna siła tarcia jest proporcjonalna do siły, z jaką ciało naciska na podłoże:

gdzie T - maksymalna siła tarcia, N - nacisk, µ - współczynnik tarcia statycznego zależny od materiałów, z jakich są wykonane ciała.

Siła inicjująca ruch musi przekroczyć wartość T, aby wprawić ciało w ruch.

Tarciem ruchowym - nazywa się tarcie zewnętrzne, gdy dwa ciała ślizgają się lub toczą po sobie. Siła tarcia przeciwstawia się wówczas ruchowi. Tarcie zewnętrzne - tarcie występujące na styku dwóch ciał stałych będących w ruchu lub w spoczynku gdy występuje siła ale jest zbyt mała by pokonać siły tarcia. Tarcie zewnętrzne dzieli się na:

• tarcie ślizgowe - gdy ciała przesuwają się względem siebie,

• tarcie toczne - gdy ciało toczy się po powierzchni drugiego.

Wielkość siły tarcia zależy od siły nacisku ciał, rodzaju materiału, ich gładkości i wielu innych czynników.

2. Dźwignie: zysk mechaniczny, mięśnie, dźwignie w ciele

RODZAJE DZWIGNI:

DZWIGNIA - jest prosta maszyna, urządzeniem do przenoszenia energii (siły). Działa na zasadzie sztywnego drążka, na który oddziałują siły obracając go wokół jego punktu podparcia.

W ciele ludzkim szkielet kostny stanowi dla mm system dźwigni. Siła mięśni jest przenoszona przez kości , aby poruszać segmentami ciała. Energia ta (siła mm) z kolei może być transmitowana na obiekty zewnętrzne np. narzędzia

W KAŻDEJ DZWIGNI MOŻEMY WYRÓŻNIĆ NASTEPUJACE ELEMENTY:

1) punkt podparcia (os obrotu), wokół którego sztywny drążek obraca się. W ciele ludzkim odpowiednikiem punktu podparcia jest staw, w którym występuje ruch.

2) ramie siły (wysiłku), czyli odległość pomiędzy punktem podparcia i punktem przyłożenia siły wewnętrznej (pokonującej ,siły mm).Punktem tym jest przyczep mięśnia.

3) ramie oporu ( ciężaru), czyli odległość pomiędzy punktem podparcia i punktem, w którym działa opór czy ciężar (siła zew ), jaki ma być przezwyciężony czy podniesiony przez to ramie.

DŹWIGNIE :

A) Dwustronne - siła wewnętrzna mm oraz opór- ciężar znajdują się po przeciwnych stronach osi obrotu.

B) Jednostronna -siła wewnętrzna oraz opór znajdują się po tej samej stronie osi obrotu.

Dźwignia dwustronna to dźwignia I typu ( I klasy)

Dźwignie jednostronne dzielą się na II typu i III typu (I klasy i II klasy)

Dźwignia DWUSTRONNA

W układach biomechanicznych stawowy punkt podparcia dźwigni znajduje się miedzy miejscami przyłożenia siły mięśniowej i siły obciążenia. Jeśli suma momentów działających sił wynosi zero, to dźwignia pozostaje w stanie równowagi. Oznacza to, że w stanie

równowagi stosunek sił działających na dźwignie jest równy odwrotności stosunku długości ramion działania tych sił.

Ten typ dźwigni najczęściej reprezentowany jest w układach biomechanicznych odpowiedzialnych za utrzymanie postawy stojącej. Zasada dźwigni dwustronnej wykorzystywana jest do stabilizacji kręgosłupa. Tutaj w systemie dźwigni dwustronnych

pracują poszczególne kręgi. W postawie stojącej ciężar tułowia, stanowiący główne obciążenie kręgów, jest równoważony napięciem mięsni prostowników grzbietu. O ile jednak ramie działania siły mięsni prostowników jest stałe i wynosi ok. 5cm (licząc od środka krążka międzykręgowego), o tyle ramie obciążenia łączące smrodek krążka ze smrodkiem ciężkości tułowia może się zmieniacz, np. w zależności od położenia kręgosłupa czy głowy. Z tego wynika im dłuższe ramie działania siły obciążenia tym większa prace mięsnie prostowniki musza wykonach

W układzie dźwigni dwustronnej pracuje również system stabilizujący STAW SKOKOWY.

W pozycji wyprostowanej pionowe położenie ciała względem powierzchni podparcia

zapewniają mięsnie:

1) m. TRÓJGŁOWY ŁYDKI - przyczepiony ścięgnem Achillesa do guza, ma DOŚĆ krótkie ramie działania siły

2) m. PISZCZELOWY PRZEDNI - jego ścięgno kończy Sie na powierzchni dolnej kości klinowatej przyśrodkowej i na podstawie pierwszej kości śródstopia.

OS OBROTU DZWIGNI: staw SKOKOWO - GOLENIOWY

Rzut środka ciężkości znajduje się kilka cm. do przodu od osi stawu skokowo-goleniowego = długości ramienia siły obciążenia.

Moment działania siły obciążenia jest równoważony przez napniecie mięsni trójgłowych łydki. Wraz z pochyleniem ciała do przodu moment obciążenia gwałtownie rośnie i aby utrzymać równowagę musimy odpowiednio zwiększyć napniecie m. trójgłowego.

Odchylenie ciała do tyłu może spowodować, że rzut środka ciężkości przekroczy oś podparcia dźwigni i wówczas role stabilizująca staw skokowo-goleniowy przyjmie m. piszczelowy przedni.

Jednak dopuszczony zakres przemieszczenia rzutu środka ciężkości do tyłu jest niewielki (ograniczony jest odl. guza piętowego od osi stawu skokowego) i dlatego stosunkowo niewielki jest maksymalny moment oraz siła skurczu mięśnia piszczelowego.

Dźwignie kostne II typu

Dźwignie tej klasy są najliczniej reprezentowane w układzie ruchu człowieka. W tym przypadku ramie działania siły mięśniowej jest zawsze krótsze od ramienia obciążenia. Działanie takiej dźwigni można zilustrować, posługując się przykładem systemu

przedramienia i stawu łokciowego, na który działa m. dwugłowy ramienia. OŚ OBROTU: staw łokciowy Siła obciążenia: siła ciężkości przedramienia, przyłożona mniej więcej w połowie jego długości Siła mięśniowa: m. dwugłowy ramienia, jego przyczep konchowy na guzowatości kości promieniowej

Dźwignie kostne III-go typu

Do tej klasy zaliczamy dźwignie jednostronne, w których ramie przyłożenia siły mięśniowej jest dłuższe od ramienia siły obciążenia. Taka konfiguracja dźwigni powoduje, ze siła skurczu mięsni niezbędna do zrównoważenia siły obciążenia jest odpowiednio od niej mniejsza, a dokładnie tyle razy, ile razy dłuższe jest ramie działania siły mięśniowej w stosunku do ramienia siły obciążenia. Niewiele tego typu dźwigni występuje w układzie ruchu człowieka. Taki wyjątek pojawia się w dźwigni przedramienia, w przypadku niedowładu (porażenia) mięśnia dwugłowego i ramiennego. Wtedy zgniecie w stawie łokciowym można osiągnąć poprzez skurcz mm synergistycznych: ramienno-promieniowego i prostowników nadgarstka. Mamy wówczas do czynienia z dźwignia III klasy, ponieważ przyczepy dalsze tych mięśni znajdują się odpowiednio na wyrostku rylcowatym kości promieniowej dla m ramiennopromieniowego

oraz na II i III kości śródręcza dla prostowników nadgarstka. Są one położone dalej w stosunku do ramienia siły obciążenia , która jest przyłożona w połowie długości przedramienia. Zysk mechaniczny dźwigni zaliczany do III klasy dźwigni jest zawsze większy od 1. Oznacza to, ze przemieszczenia przedramienia wymagane jest znacznie większe skrócenie mięsni. Ze względu na położenie dalszego przyczepu mięśnia kat działania siły mięśniowej jest niewielki i dlatego mimo długiego ramienia siły mięśniowej, dźwignie tej

klasy mnoga wytwarzać bardzo niewielkie momenty napędowe.

PODSUMOWANIE:

Najczęściej w ciele ludzkim znajdują się dźwignie drugiej klasy (jednostronne)ponieważ przyczepy są blisko stawu a opór dalej od stawu. Podział dźwigni jest umowny, jest pewnym uproszczeniem, ponieważ ruch to działanie synergistów a nie działanie jednego mięśnia.

3. Praca, energia, moc, popęd siły i pęd

Pracą siły F na drodze s będziemy nazywać wielkość określoną wzorem

Α - kąt pomiędzy kierunkiem siły, a kierunkiem przesuwania ciała po drodze

Dżul (J) - to praca jaką wykonuje siła 1N na drodze 1m pod warunkiem, że siła F jest równoległa do drogi

Moc ciała - to wielkość, która informuje nas o tym jak szybko ciało wykonuje pracę i określamy ja wzorem

Energią ciała nazywamy zdolność ciała do wykonywania pracy. Jeżeli energia ciała związana jest z jego prędkością, to nazywamy ja energia kinetyczną, a jeżeli związana jest ze stanem w jakim znajduje się ciało, to nazywamy ja energia potencjalną.

Popęd zwany też impuls i popęd siły jest wektorową wielkością fizyczną równą iloczynowi siły i czasu jej działania:

Pęd - podstawowa wielkość fizyczna w mechanice opisująca ruch ciała. Pęd mają wszystkie formy materii, np. ciała obdarzone masą, pole elektromagnetyczne, pole grawitacyjne.

Pęd punktu materialnego jest równy iloczynowi masy [m] i prędkości [v] punktu. Pęd jest wielkością wektorową; kierunek i zwrot pędu jest zgodny z kierunkiem i zwrotem prędkości.

W układzie SI jednostka pędu nie ma odrębnej nazwy, a jest określana za pomocą jednostek prostszych, np. niuton·sekunda (N·s) lub kilogram·metr/sekunda (kg·m/s).

4. Ruch obrotowy bryły sztywnej, zasady dynamiki Newtona dla ruchu obrotowego

I zasada dynamiki dla ruchu obrotowego:

Jeżeli na ciało sztywne nie działa żaden moment siły lub działają momenty sił, które równoważą się, to ciało to nie obraca się lub wykonuje ruch obrotowy jednostajny.

II zasada dynamiki:

Jeżeli na ciało sztywne działa stały i niezrównoważony moment siły, to ciało to wykonuje ruch obrotowy jednostajnie przyspieszony (lub jednostajnie opóźniony), w którym przyspieszenie (opóźnienie) kątowe jest wprost proporcjonalne do działającego momentu siły, a odwrotnie proporcjonalne do momentu bezwładności ciała.

III zasada dynamiki

Siłą powodującą ruch ciała po okręgu jest siła dośrodkowa skierowana tak jak przyspieszenie dośrodkowe do środka okręgu.

Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona sile dośrodkowej towarzyszy siła reakcji - siła odśrodkowa. Siła dośrodkowa jest przyłożona do ciała, które porusza się po okręgu, a siła odśrodkowa do ciała, które jest źródłem siły dośrodkowej.

Ruch obrotowy to taki ruch, w którym wszystkie punkty bryły sztywnej poruszają się po okręgach o środkach leżących na jednej prostej zwanej osią obrotu. Np. ruch Ziemi wokół własnej osi. Jest to ruch złożony z ruchu postępowego środka masy danego ciała oraz ruchu obrotowego względem pewnej osi. Środek masy ciała można uważać za punkt materialny. Do opisania ruchu obrotowego używa się odmiennych pojęć od używanych do opisania ruchu postępowego.

Podstawowym prawem opisującym ruch bryły sztywnej jest druga zasada dynamiki ruchu obrotowego:

gdzie M jest momentem siły względem obranego punktu odniesienia, a L - krętem względem tego samego punktu odniesienia.

Jeżeli obrót odbywa się względem osi stałej lub sztywnej wówczas druga zasada dynamiki dla ruchu obrotowego może być napisana w następujący sposób:

gdzie M oznacza moment siły a I moment bezwładności względem osi obrotu.

Czasem ta sama siła może powodować ruch postępowy i obrotowy. Wówczas dzieląc obie strony poprzedniego równania przez r oraz dodając po prawej stronie wyraz odnoszący się do ruchu postępowego można otrzymać II zasadę dynamiki w postaci bardziej ogólnej:

Gdy brak momentu sił zewnętrznych (M = 0), z równania
otrzymać można zasadę zachowania krętu:

L = Iω = const

Moment bezwładności I punktu materialnego o masie m znajdującego się w odległości r od osi obrotu wyraża się wzorem:

I = mr²

Pierwsza zasada dynamiki ruchu obrotowego: W inercjalnym układzie odniesienia bryła nie obraca się lub obraca się ruchem jednostajnym (ω = const), gdy nie działają na nie żadne momenty sił lub gdy działające momenty sił się wzajemnie równoważą.

5. Własności sprężyste materiałów, naprężenie i odkształcenie, Prawo Hooke'a, moduł Younga

Sprężystość - fizyczna właściwość ciał materialnych odzyskiwania pierwotnego kształtu i wymiarów po usunięciu sił zewnętrznych wywołujących zniekształcenie - czyli zmianie tensora naprężeń towarzyszy zmiana tensora odkształceń i odwrotnie, przy czym zmiany te są w pełni odwracalne.

Naprężenie to miara gęstości powierzchniowej sił wewnętrznych występujących w ośrodku ciągłym. Jest podstawową wielkością mechaniki ośrodków ciągłych. Jednostką naprężenia jest paskal.

Naprężenie w dowolnym punkcie zależy od kierunku, w którym jest rozpatrywane. Mimo iż pole powierzchni przekroju A dąży do zera, czyli przekrój dąży do punktu, istotne jest jaki kierunek miała normalna do powierzchni przekroju:

gdzie: s - wektor naprężenia, F - wektor sił wewnętrznych w ciele działających w przekroju, A - pole przekroju.

Wektor naprężenia występujący w dowolnym przekroju można rozłożyć na dwie składowe:

gdzie: σ - składowa normalna (prostopadła do powierzchni), n - wektor normalny do powierzchni, τ - składowa ścinająca (równoległa do powierzchni).

Odkształcenie - miara deformacji ciała poddanego siłom zewnętrznym. Odkształcenia ciał dzielimy na sprężyste (które znika po usunięciu sił działających na ciało) i niesprężyste.

Aby moc mówić o odkształceniu, należy wyróżnić dwa stany ciała: początkowy i końcowy. Na podstawie różnic w położeniach punktów w tych dwóch stanach można wyznaczać liczbowe wartości odkształcenia.

Zależność pomiędzy stanem odkształcenia, a naprężenia określa m.in. Prawo Hooke'a.

Prawo Hooke'a - prawo mechaniki określające zależność odkształcenia od naprężenia. Głosi ono, że odkształcenie ciała pod wpływem działającej nań siły jest wprost proporcjonalne do tej siły.

Najprostszym podejściem do Prawa Hooke'a jest rozciąganie statyczne pręta. Wydłużenie takiego pręta jest wprost proporcjonalne do siły przyłożonej do pręta, do jego długości i odwrotnie proporcjonalne do pola przekroju poprzecznego pręta. Współczynnikiem proporcjonalności jest moduł Younga E

, więc:

gdzie: F - siła rozciągająca, S - pole przekroju, Δl - wydłużenie pręta, l - długość początkowa.

Stosując definicje odkształcenia i naprężenia można zapisać:

σ = Eε

tutaj: ε =
- odkształcenie względne, σ =
- naprężenie.

Moduł Younga (E) inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości podłużnej. Wielkość uzależniająca odkształcenie liniowe ε materiału od naprężenia σ jakie w nim występuje.

Jednostką modułu Younga jest paskal. Jest to wielkość określająca sprężystość materiału.

Moduł Younga jest hipotetycznym naprężeniem, które wystąpiłoby przy dwukrotnym wydłużeniu próbki materiału, przy założeniu, że jej przekrój nie ulegnie zmianie (założenie to spełnione jest dla hipotetycznego materiału o współczynniku Poissona υ=0).

6. Ruch drgający i falowy, elementy akustyki

• Ruch harmoniczny, równanie ruchu harmonicznego, drgania tłumione, wymuszone, rezonans

Ruch harmoniczny drgania opisane funkcją harmoniczną (sinusoidalną), jest to najprostszy w opisie matematycznym rodzaj drgań.

Ruch harmoniczny jest często spotykanym rodzajem drgań, wiele rodzajów jest w przybliżeniu harmoniczna. Każde drganie można przedstawić jako sumę drgań harmonicznych. Przekształceniem umożliwiającym rozkład ruchu drgającego na drgania harmoniczne jest transformacja Fouriera.

Każdy ruch powtarzający się w regularnych odstępach czasu nazywany jest ruchem okresowym. Jeżeli ruch ten opisywany jest sinusoidalną funkcją czasu to jest to ruch harmoniczny. Ciało porusza się ruchem harmonicznym prostym, jeżeli znajduje się tylko pod wpływem siły o wartości proporcjonalnej do wychylenia z położenia równowagi i skierowanej w stronę położenia równowagi (Prawo Hooke'a):

gdzie

- siła,

k - współczynnik sprężystości,

- wychylenia z położenia równowagi.

Równanie ruchu (skalarne dla kierunku OX) dla takiego ciała można zapisać jako:

(Druga Zasada Dynamiki Newtona), w postaci różniczkowej:

Ruch harmoniczny tłumiony występuje wtedy, gdy na ciało działa dodatkowo siła oporu ośrodka proporcjonalna do prędkości:

Równanie ruchu ma wtedy postać:

Drgania wymuszone zachodzą pod wpływem zewnętrznej siły, będącej źródłem energii podtrzymującej drgania.

Siła wymuszająca F_W ma zwykle charakter siły o wartości okresowo zmiennej:

F_W = F_W0sinωt

gdzie: F_W0 - amplituda siły wymuszającej.

Amplituda drgań wymuszonych nie jest stała i zależy od częstości siły wymuszającej ω.

Amplituda drgań wymuszonych wyraża się wzorem:



                                                                                                                 

• Rezonans mechaniczny zachodzi wówczas, gdy częstość siły wymuszającej ω jest równa częstości własnej układu ω₀ (czyli dla częstotliwości f = f₀). W warunkach rezonansu wzrasta gwałtownie amplituda drgań układu oraz jego energia.




Częstotliwość f₀ nosi nazwę częstotliwości rezonansowej.

7. Efekt Dopplera, pomiar prędkości przepływu krwi

Zjawisko Dopplera - jest to zmiana częstotliwości fali pod wpływem ruchu odbiornika i/lub nadajnika.

Równanie na częstotliwość odbieranej fali

to jest wzór na częstotliwość odbieranej fali, kiedy ŹRÓDŁO I ODBIORNIK SIĘ OD SIEBIE ODDALAJĄ

Wzór na częstotliwość fali, GDY ŹRÓDŁO I ODBIORNIK SIĘ DO SIEBIE ZBLIŻAJĄ

V' - częstotliwość odbieranej fali

V - częstotliwość nadawanej fali

C - prędkość fali

V₀ - prędkość poruszania się odbiornika

V_Z - poruszania się nadajnika

Działa to na takiej zasadzie:

Objaśnienie: źródło fali porusza się w prawo i widzimy, że fale po prawej są jakby „bardziej upakowane” niż te po lewej - mają większą częstotliwość.

Tutaj mamy to samo, z tym, że źródło (to centralne czarne kółeczko) porusza się w lewo.

ZJAWISKO DOPPLERA ZACHODZI RÓWNIEŻ, GDY FALA ODBIJA SIĘ OD RUCHOMEJ PRZESZKODY.

Zjawisko Dopplera wykorzystywane jest do pomiaru prędkości przepływu krwi. Umieszczamy nadajnik (źródło dźwięku) o wysokiej częstotliwości po jednej stronie naczynia krwionośnego i detektor po jego drugiej stronie. Wysyłany dźwięk jest odbijany przez krwinki (które oddalają się od źródła dźwięku z prędkością V_e), i odbierany przez odbiornik

Prędkość tej fali to:

V_e - szybkość krwinki

V - częstotliwość nadawania

V_d - częstotliwość odbierana przez komórki

C - Szybkość fali dźwiękowej

Ultradźwięki stosowane do tej metody mają częstotliwość POWYŻEJ - 20 000 Hz = 20 KHz i są niesłyszalne dla człowieka.

Są jednak słyszalne dla niektórych zwierząt:

Psy i szczury słyszą częstotliwości do 40 KHz, a nietoperze i delfiny mogą je nawet wysyłać.

U zwierząt niżej zorganizowanych (np.: owady) wytwarzanie dźwięków odbywa się poprzez pocieranie stwardniałych części ciała, a odbieranie przez znajdujące się na odnóżach włoski z komórkami nerwowymi (komórki czuciowe). Ryby mają mechanoreceptory na linii bocznej, dzięki którym czują zmiany ciśnienia wody. Ruch ryb powoduje fale (zmiany ciśnienia). Po odbiciu są one odbierane przez ciało ryby - zasada echolokacji. Częstotliwości wytwarzane przez ryby to tzw. Infradźwięki; mają częstotliwość poniżej 16 Hz.

8. Natura fizyczna i prędkość dźwięku. Ultradźwięki- wytwarzanie, impedancja akustyczna, zastosowanie ultradźwięków.

Dźwięk - fala akustyczna rozchodząca się w danym ośrodku sprężystym (ciele stałym, płynie, gazie) zdolna wytworzyć wrażenie słuchowe, które dla człowieka zawarte jest w paśmie między częstotliwościami granicznymi od ok. 16 Hz do 20 kHz. Gdybyśmy w pewnej fazie dźwięku "zajrzeli do wnętrza" gazu w którym rozchodzi się dźwięk, to zauważylibyśmy, obszary rozmieszczone przemiennie obszary większej i mniejszej gęstości cząsteczek.

Ultradźwięki to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby usłyszał je człowiek. Za granicę uważa się 20 kHz, choć dla większości ludzi granica ta jest znacznie niższa. Niektóre zwierzęta mogą emitować i słyszeć ultradźwięki, np. pies, szczur, delfin, wieloryb, chomik czy nietoperz. Ultradźwięki dzięki małej długości fali pozwalają na uzyskanie dokładnych obrazów przedmiotów. Urządzenie, które umożliwia obserwację głębin morskich to sonar. Jego zastosowanie to lokalizacja wszystkich obiektów zanurzonych w wodzie. Sonary wykorzystywano w okrętach podwodnych. Ultradźwięki znajdują także zastosowanie w medycynie. Za pomocą urządzenia generującego i rejestrującego fale ultradźwiękowe (ultrasonograf) można uzyskać obraz narządów wewnętrznych. Ultradźwięki pozwalają też na pomiar odległości przy pomocy dalmierza ultradźwiękowego, w zakresie od 1 do 10 m. Jeżeli wykorzysta się silne źródło ultradźwięków, to mogą one niszczyć, rozgrzewać niektóre materiały, co pozwala na obróbkę powierzchniową wytwarzanych przedmiotów (obróbka ultradźwiękowa). Ultradźwięki były też stosowane w pamięciach rtęciowych we wczesnych komputerach w latach pięćdziesiątych XX w.

Impedancja akustyczna - opór stawiany przez ośrodek propagacji fali (wskaźnik podatności ośrodka na ruch wymuszony. Jest iloczynem gęstości ośrodka oraz prędkości propagacji. Jednostką impedancji akustycznej jest (1 ray)= 1 rayligh.

Wzór:

Z = V * ρ

Z - impedancja akustyczna

V - prędkość fali

ρ - gęstość ośrodka

9. Całkowite wewnętrzne odbicie, światłowody

Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka lecz ulega całkowitemu odbiciu.

Kąt graniczny - P - promień padający pod kątem α_gr, Z - promień załamany pod kątem β=90°, N - normalna padania.

Światło padające na granicę ośrodków O₁ i O₂ pod kątem mniejszym od granicznego zostaje częściowo odbite a częściowo przechodzi do drugiego ośrodka (jest załamane). Jeżeli n₁ to współczynnik załamania ośrodka O₁, a n₂ współczynnik załamania ośrodka O₂ i n₁ > n₂ wtedy kąt padania α jest mniejszy niż kąt załamania β. Przy pewnym kącie padania α_gr, zwanym granicznym, kąt załamania β jest równy 90º. Dla kątów padania większych niż α_gr (zakreskowany zakres kątów na ilustracji) światło przestaje przechodzić przez granicę ośrodków i ulega całkowitemu odbiciu wewnętrznemu.

Światłowód to włókno szklane (ewentualnie tworzywo sztuczne - nie stosowane w telekomunikacji), w którym odbywa się propagacja światła dzięki "całkowitemu" (niewielka ilość przenika przez płaszcz) wewnętrznemu odbiciu. Światłowód to struktura prowadząca fale elektromagnetyczne o częstotliwościach optycznych. Ogólnie, światłowód możemy określić jako falowód optyczny. Popularne rodzaje światłowodów to światłowody włókniste (najczęściej - błędnie - określane po prostu jako światłowody), światłowody warstwowe i światłowody paskowe. Światłowody są wykorzystywane jako elementy urządzeń optoelektronicznych, składniki optycznych układów zintegrowanych lub do transmisji sygnałów na duże odległości, jak również do celów oświetleniowych. Światłowody mogą być klasyfikowane ze względu na ich geometrię (planarne, paskowe lub włókniste), strukturę modową (jednomodowe, wielomodowe), rozkład współczynnika załamania (skokowe i gradientowe) i rodzaj stosowanego materiału (szklane, plastikowe, półprzewodnikowe).

10. Falowa natura światła. Odbicie i załamanie światła

Światłem potocznie nazywa się widzialną część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego np. światłocień. Precyzyjne ustalenie zakresu długości fal elektromagnetycznych nie jest tutaj możliwe, gdyż wzrok każdego człowieka charakteryzuje się nieco inną wrażliwością, stąd za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie 380-780 nm, choć często podaje się mniejsze zakresy (szczególnie od strony fal najdłuższych) aż do zakresu 400-700 nm. W nauce pojęcie światła jest jednak szersze, gdyż w praktyce nie tylko fale widzialne, ale i sąsiednie zakresy, czyli ultrafiolet i podczerwień można obserwować i mierzyć korzystając z podobnego zestawu przyrządów, a jednocześnie wyniki tych badań można opracowywać korzystając z tych samych praw fizyki. Odbicie to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła.

Odbicie zwierciadlane może mieć miejsce na gładkiej powierzchni oddzielającej dwa różne materiały, np. lustro wody albo metalizowana powierzchnia. Zgodnie ze schematem Promień świetlny P zwany promieniem padającym pada w punkcie S na granicę ośrodków i odbija się jako promień odbity O.

Załamanie w fizyce to zmiana kierunku rozchodzenia się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. Inna prędkość powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje stała.

11. Soczewki i przyrządy optyczne. Mikroskop optyczny, zdolność rozdzielcza mikroskopu. Oko i optyczne wady oka

Soczewka - proste urządzenie optyczne składające się z jednego lub kilku sklejonych razem bloków przezroczystego materiału (zwykle szkła, ale też różnych tworzyw sztucznych, żeli, minerałów, a nawet parafiny lub kropli wody). Istotą soczewki jest to, że przynajmniej jedna z jej powierzchni roboczych jest zakrzywiona, np. jest wycinkiem sfery, innej obrotowej krzywej stożkowej jak parabola, hiperbola lub elipsa, albo walca. Najczęściej spotykany typ soczewki to soczewka sferyczna, której przynajmniej jedna powierzchnia jest wycinkiem sfery. Każda z powierzchni takiej soczewki może być wypukła, wklęsła lub płaska i stąd mówi się o soczewkach dwuwypukłych, płasko-wklęsłych itd. (patrz rysunek).

Rodzaje soczewek sferycznych. Stosuje się również soczewki będące wycinkiem walca (np. jako lupy w termometrach oraz do czytania, szkła korygujące wady wzroku), nazywane soczewkami cylindrycznymi. Szczególnym rodzajem soczewki jest soczewka Fresnela. Soczewki są stosowane w wielu przyrządach optycznych do tworzenia obrazu lub kształtowania wiązki światła:

• mikroskopach

• lunetach

• lornetkach

• lupach

• okularach leczniczych

• soczewkach kontaktowych

• spektrofotometrach

• aparatach fotograficznych

• kamerach filmowych

• druku soczewkowym

• świetlnych semaforach kolejowych

Mikroskop optyczny to urządzenie do silnego powiększania obrazu, wykorzystujące do generowania tego obrazu światło przechodzące przez specjalny układ optyczny składający się zazwyczaj z zestawu kilku-kilkunastu soczewek optycznych. Mikroskop optyczny może wykorzystywać zwykłe światło dzienne, dostarczane do układu optycznego przez specjalne lusterko lub wykorzystywać sztuczne światło, którego źródło znajduje się zazwyczaj pod analizowaną próbką. Mikroskopy ze sztucznym źródłem światła bywają nazywane mikroskopami świetlnymi, większość profesjonalnych mikroskopów optycznych posiada jednak współcześnie możliwość pracy z użyciem światła naturalnego i sztucznego. Światło może padać na oglądany obiekt z góry - mówi się wtedy o odbiciowym mikroskopie optycznym. Światło może też padać na badany obiekt z dołu i przechodzić przez niego, co wymaga jednak aby obiekt był półprzezroczysty. Mikroskopy optyczne są stosowane do obserwacji małych obiektów w wielu naukach. W biologii są stosowane np.: do obserwacji drobnoustrojów i budowy tkanek. W chemii i fizyce są stosowane do obserwacji np.: przemian krystalicznych. W geologii są stosowane do obserwacji budowy skał. Mikroskopy optyczne mogą korzystać, ze zwykłego, niespolaryzowanego światła, lub korzystać ze światła spolaryzowanego. W tym drugim przypadku mówi się o polaryzacyjnym mikroskopie optycznym. Posługiwanie się światłem spolaryzowanym umożliwia obserwację wzrostu i zanikania kryształów i ciekłych kryształów.

Oko zbudowane jest z soczewki ze zmienną i regulowaną ogniskową, tęczówki (przesłony) regulującej średnicę otworu (źrenicy), przez którą wpada światło, oraz światłoczułej siatkówki w głębi oka. Podobnie jak w oku złożonym i plamce ocznej, w oku prostym również obecny jest czarny pigment. Komórki, które go zawierają, przylegają od tyłu do siatkówki (ta część oka nazywana jest naczyniówką, biegną tam także naczynia krwionośne). Służą one do absorbowania nadmiaru światła i zapobieganiu zacieraniu konturów tworzonego obrazu, co może się dziać przez odbijanie się światła wewnątrz oka. Oko proste jest dobrze ukrwione. Budowę oka prostego można skutecznie porównywać z budową aparatu fotograficznego.
Twardówka, czyli zewnętrzna warstwa gałki ocznej, jest mocną, matową, nieprzepuszczalną warstwą tkanki łącznej, która chroni oko wewnętrzne i nadaje mu konieczną sztywność. W przedniej części oka znajduje się trochę cieńszy i przezroczysty obszar, zwany rogówką. Dalej, w komorze przedniej (pomiędzy rogówką a soczewką) oka znajduje się wodnisty płyn - ciecz wodnista oka. Większa komora tylna wypełniona jest ciałem szklistym. Ku przodowi naczyniówka wrasta do wnętrza oka w postaci ciała rzęskowego (zbudowanego z wyrostków rzęskowych i mięśnia rzęskowego). Kolejnym elementem budowy oka jest tęczówka, zbudowana z pierścienia mięśni gładkich o różnym kolorze (zależnie od rodzaju i ilości barwnika) - stąd tzw. "kolory oczu". Wyżej wymienioną naczyniówkę pokrywa siatkówka, zajmująca 2/3 powierzchni gałki ocznej. W niej znajdują się ogromne ilości komórek nerwowych, a za nimi kolejne rzesze komórek fotoreceptorowych (pręciki liczniejsze na peryferiach siatkówki i czopki skupione w niewielkim zagłębieniu w centrum siatkówki - plamce żółtej). Od powierzchni gałki ocznej odchodzi sześć mięśni, które ciągną się do różnych punktów w kostnym oczodole, dzięki temu gałka może się poruszać.

Nadwzroczność (popularnie: dalekowzroczność, łac. hyperopia) jest drugą obok krótkowzroczności najczęściej spotykaną wadą refrakcyjną wzroku. Jest wynikiem zbyt małych rozmiarów przednio-tylnych oka (zbyt krótką gałką oczną) w stosunku do jego siły łamiącej lub niewystarczającą siłą łamiącą układu optycznego oka (np. zbyt płaską rogówką) w stosunku do jego długości. Promienie równoległe, które w akomodującym oku zdrowym ogniskowane są na siatkówce, w nieakomodującym oku nadwzrocznym ogniskowane są za siatkówką.

Astygmatyzm - wada wzroku (soczewki lub rogówki oka) cechująca się zaburzoną sferycznością (kulistością) oka. Elementy optyczne zdrowego narządu wzroku zawsze są wycinkiem sfery. Jeżeli oko ma większą szerokość niż wysokość, to soczewka i rogówka zamiast skupiać światło w okrągłym obszarze siatkówki, będzie tworzyć obraz rozmazany w jednym z kierunków. Pacjent z astygmatyzmem będzie np. widział obraz nieostro w pewnych obszarach pola widzenia. Nawet dobre szkła nie są w stanie w pełni skorygować asferyczności i dlatego osoba z astygmatyzmem ma problemy z wykorzystaniem przyrządów optycznych. Jeżeli ktoś ma problemy z ostrością, może sobie np. w mikroskopie wyregulować odpowiednio układ, aby korygował jego wadę. Osoba z astygmatyzmem nigdy nie osiągnie tego efektu, bo soczewki każdego przyrządu optycznego są sferyczne.

Krótkowzroczność (miopia - gr. myopia) jest jedną z najczęściej spotykanych wad refrakcyjnych wzroku polegającą na tym, że oko (soczewka oka) nieprawidłowo skupia promienie świetlne. W akomodującym oku zdrowym ogniskowane są one na siatkówce, w nieakomodującym oku krótkowzrocznym ogniskowane są przed siatkówką. Wiąże się to ze zbyt długą osią gałki ocznej (krótkowzroczność osiowa), z nieprawidłową (zbyt wypukłą) krzywizną poszczególnych elementów układu optycznego oka, zwłaszcza rogówki i soczewki (krótkowzroczność krzywiznowa), a także ze wzrostem współczynnika załamania soczewki przy rozwijającej się zaćmie jądrowej (krótkowzroczność refrakcyjna).

12. Równanie stanu gazu doskonałego, temperatura i energia cząstek

Równanie Clapeyrona, równanie stanu gazu doskonałego to równanie stanu opisujące związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego, a w sposób przybliżony opisujący gazy rzeczywiste.

gdzie:

• p - ciśnienie,

• V - objętość,

• n - liczba moli gazu (będąca miarą liczby cząsteczek (ilości) rozważanego gazu),

• T - temperatura (bezwzględna), T [K]  =  t [°C] + 273,15

• R - uniwersalna stała gazowa: R = N_Ak, gdzie: N_A - stała Avogadra (liczba Avogadra), k - stała Boltzmanna, R = 8,314 J/(mol*K).

Równanie to jest wyprowadzane na podstawie założeń:

1. gaz składa się z poruszających się cząsteczek;

2. cząsteczki zderzają się ze sobą oraz ze ściankami naczynia w którym się znajdują;

3. brak oddziaływań międzycząsteczkowych w gazie, z wyjątkiem odpychania w momencie zderzeń cząsteczek;

4. objętość (rozmiary) cząsteczek jest pomijana;

5. zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste;

Rozszerzeniami równania gazu idealnego, uwzględniającymi objętość cząsteczek gazu oraz przyciąganie cząsteczek są Równanie van der Waalsa oraz Wirialne równanie stanu.

• Przemiany termodynamiczne

• przemiana izobaryczna (stałe ciśnienie p = const)

• przemiana izotermiczna (stała temperatura T = const)

• przemiana izochoryczna (stała objętość V = const)

• przemiana adiabatyczna (brak wymiany ciepła z otoczeniem Q = 0)

• przemiana politropowa (pVⁿ = const, gdzie n - wykładnik politropy)

Ciepło. Ciepło właściwe

Ciepłem Q nazywamy formę przekazywania energii.

Przepływ ciepła, a właściwie przepływ energii, odbywa się tylko w kierunku od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.

Podobnie przepływającą ilość energii nazywamy ciepłem, ale ciepła nie ma w ciele o wyższej temperaturze i nie ma go w ciele o niższej temperaturze.
W ciałach jest energia wewnętrzna, a nie ciepło.

Ciepłem właściwym c_W nazywamy ilość energii potrzebną do zmiany temperatury jednostki masy (1kg) substancji o jeden stopień (Kelvina lub Celsjusza).

Ogrzewając masę m o przyrost temperatury Δt, należy dostarczyć ciepła:

Taką też ilość ciepła należy odebrać oziębiając masę m o Δt.

Jednostką ciepła właściwego jest

13. Dyfuzja, roztwory rozcieńczone, ciśnienie osmotyczne

Dyfuzja - proces rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą i/lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

• dyfuzja śledzona (ang. tracer diffusion) to proces mikroskopowy polegający na chaotycznym ruchu pojedynczej ("śledzonej") cząsteczki (przykład: Ruchy Browna).

• dyfuzja chemiczna to proces makroskopowy obejmujący makroskopowe ilości materii (lub energii), zwykle opisywany równaniem dyfuzji i prowadzący do wyrównywania stężenia (lub temperatury) każdej z dyfundujących substancji w całym układzie.

Ciśnienie osmotyczne - różnica ciśnień wywieranych na półprzepuszczalną membranę przez dwie ciecze, które ta membrana rozdziela. Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego jest różnica stężeń związków chemicznych lub jonów w roztworach po obu stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania.

Kontaktujące się roztwory mają termodynamiczną tendencję do wyrównywania stężeń (np. przez dyfuzję cząsteczek rozpuszczonych związków). W przypadku membrany, która przepuszcza małe cząsteczki rozpuszczalnika a nie przepuszcza jonów ani większych cząsteczek, jedynym sposobem wyrównania stężenia roztworów jest przepływ przez membranę rozpuszczalnika.

14. Przenoszenie ciepła przez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie

Przewodzenie ciepła - proces wymiany ciepła między częściami ciała o różnej temperaturze, polegający na przekazywaniu energii ruchu bezładnego cząsteczek w wyniku ich zderzeń. Proces prowadzi do wyrównania temperatury w różnych fragmentach ciała. Za przewodnictwo cieplne nie uznaje się przekazywanie energii w wyniku uporządkowanego (makroskopowego) ruchu cząstek. Ciepło płynie tylko wtedy, gdy występuje różnica temperatur od temperatury wyższej do temperatury niższej, a z dobrym przybliżeniem dla większości substancji ilość energii przekazanej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu jest proporcjonalna do różnicy temperatur

Konwekcja - proces przenoszenia ciepła wynikający z ruchu materii w objętości dowolnej substancji, np. powietrza, wody, piasku itp. Czasami przez konwekcję rozumie się również sam ruch materii związany z różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. Ruch ten precyzyjniej nazywa się prądem konwekcyjnym. Wyróżnia się:

• Konwekcję swobodną (naturalną)- ruch cieczy lub gazu jest wywołany różnicami gęstości substancji znajdującej się w polu grawitacyjnym.

• Konwekcję wymuszoną - ruch cieczy lub gazu wywoływany jest działaniem urządzeń wentylacyjnych, pomp itp.

Ilość przekazanego ciepła przez konwekcję zależy od szybkości ruchu płynu, dlatego w celu zwiększenia przekazywania ciepła w komputerach, chłodnicach samochodowych itp. stosuje się wentylatory zwiększające szybkość przepływu powietrza.

Promieniowanie - strumień cząstek lub fal wysyłanych przez ciało.

Wytwarzanie promieniowania jest nazywane emisją.

Pierwotnie pojęcie promieniowanie używano do tych rodzajów wysyłanych cząsteczek i fal (bez wnikania w ich naturę), którego wąski strumień (promień patrz światło) rozchodząc się w przestrzeni może być traktowany jak linia w geometrii (nie rozdziela się).

Rodzaje promieniowania:

• promieniowanie elektromagnetyczne czyli fala elektromagnetyczna,

• promieniowanie świetlne - światło,

• promieniowanie słoneczne,

• promieniowanie laserowe

• promieniowanie rentgenowskie (promienie Roentgena, promienie X),

• promieniowanie ultrafioletowe (nadfioletowe, nadfiolet) ultrafiolet,

• promieniowanie podczerwone podczerwień,

• promieniowanie mikrofalowe - mikrofale,

• promieniowanie cieplne (termiczne) - promieniowanie elektromagnetyczne wysyłane przez każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego,

• promieniowanie radiowe,

• promieniowanie synchrotronowe - wytwarzane przez naładowane cząstki poruszające się po okręgach w polu magnetycznym w synchrotronach lub w polu gwiazd neutronowych

• promieniowanie gamma - promieniowanie elektromagnetyczne wysyłane przez jądra atomów,

• promieniowanie tła (promieniowanie reliktowe),

• promieniowanie naturalne - promieniowanie radionuklidów zawartych w środowisku naturalnym,

• promieniowanie plazmy - promieniowanie wytwarzane przez plazmę,

• promieniowanie hamowania - promieniowanie elektromagnetyczne powstające podczas hamowania ciała (cząstki) obdarzonej ładunkiem elektrycznym,

• promieniowanie korpuskularne (strumień cząstek)

• promieniowanie jądrowe - strumień cząstek lub promieniowanie elektromagnetyczne wytwarzane podczas przemian jąder atomowych,

• promieniowanie jąder - promieniowanie wysyłane przez wzbudzone jądra atomowe,

• promieniowanie alfa - strumień jąder atomów helu.

• promieniowanie beta - strumień elektronów lub pozytronów powstających z rozpadów beta.

• promieniowanie kosmiczne,

• promieniowanie jonizujące

• promieniowanie niejonizujące

15. Zasady Termodynamiki

Termodynamiki zasady, podstawowe prawa przyrody rządzące procesami zachodzącymi w układach termodynamicznych:

1) pierwsza zasada termodynamiki - zmiana energii wewnętrznej układu równa jest sumie ciepła dostarczonego do układu i pracy wykonanej nad układem. Zasada ta, równoważna zasadzie zachowania energii, w zarysach sformułowana została w 1842 przez J.R. Mayera, uściślona zaś w 1847 przez H.L.F. de Helmholtza.

2) druga zasada termodynamiki - istnieje entropia będąca funkcją stanu układu, stałą w odwracalnych procesach adiabatycznych i rosnącą we wszystkich innych. Zasadę tę, zgodnie z którą kierunek wzrostu entropii może służyć do formalnego wyróżnienia kierunku upływu czasu (wszystkie inne prawa fizyki klasycznej nie ulegają zmianie przy zamianie przyszłości z przeszłością), podał w 1850 R.J.E. Clausius, a uściślił w 1851 Kelvin lord of Largs.

3) trzecia zasada termodynamiki - entropia układu o ustalonych parametrach (np. o stałym ciśnieniu lub objętości) i temperaturze zmierzającej do zera bezwzględnego zmierza również do zera. Zasadę tę, pozwalającą obliczyć bezwzględną wartość entropii (określanej przedtem tylko z dokładnością do stałej), podał w 1906 W.H. Nernst (tzw. twierdzenie Nernsta).

Niekiedy nazwą czwartej zasady termodynamiki określa się twierdzenie Onsagera, a za zasadę tzw. zerową uznaje się twierdzenie głoszące, że dwa ciała będące w równowadze termodynamicznej z pewnym układem są w równowadze termodynamicznej ze sobą.

16. Równanie ciągłości, równanie Bernouliego

Równanie ciągłości - jest matematyczną postacią prawa zachowania dla ośrodków ciągłych. Ma liczne zastosowania np. do wyrażenia zasady zachowania ładunku, zasady zachowania masy. Równanie ciągłości dla elektromagnetyzmu jest matematyczną postacią zasady zachowania ładunku i wyraża się wzorem:

Słownie dywergencja gęstości prądu jest równa zmianie gęstości ładunku ze znakiem minus. Można to wytłumaczyć w następujący sposób - przepływ prądu z jednej objętości do innej powoduje zmianę gęstości ładunku w objętości z której ten prąd wypływa.

Równanie Bernoulliego wyraża zachowanie gęstości energii całkowitej na linii prądu. Obowiązuje ono w podstawowej wersji dla płynu doskonałego, w wersji rozszerzonej dla płynu barotropowego. Wynika z zasada zachowania energii.

Założenia:

• ciecz jest nieściśliwa

• ciecz nie jest lepka

• przepływ stacjonarny i bezwirowy

gdzie:

• e_m - energia jednostki masy płynu

• ρ - gęstość cieczy

• v - prędkość cieczy w rozpatrywanym miejscu

• h - wysokość w układzie odniesienia, w którym liczona jest energia potencjalna

• g - przyspieszenie grawitacyjne

• p - ciśnienie cieczy w rozpatrywanym miejscu

Poszczególne człony to: energia kinetyczna, energia potencjalna przyciągania ziemskiego, energia ciśnienia.

17. Lepkość cieczy, przepływ laminarny i burzliwy

Lepkość, (tarcie wewnętrzne) - właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Lepkością nie jest opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Lepkość jest jedną z najważniejszych cech olejów. Inne znaczenie słowa "lepkość" odnosi się do "czepności" - terminu stosowanego w dziedzinie klejów. Zgodnie z laminarnym modelem przepływu lepkość wynika ze zdolności płynu do przekazywania pędu pomiędzy warstwami poruszającymi się z różnymi prędkościami. Różnice w prędkościach warstw są charakteryzowane w modelu laminarnym przez szybkość ścinania. Przekazywanie pędu zachodzi dzięki pojawieniu się na granicy tych warstw naprężeń ścinających. Wspomniane warstwy są pojęciem hipotetycznym, w rzeczywistości zmiana prędkości zachodzi w sposób ciągły (zobacz: gradient), a naprężenia można określić w każdym punkcie płynu. Model laminarny lepkości zawodzi też przy przepływie turbulentnym, powstającym np. na granicy płynu i ścianek naczynia. Dla przepływu turbulentnego jak dotąd nie istnieją dobre modele teoretyczne. Płyn nielepki to płyn o zerowej lepkości.

Prawo Poissenille - średnia prędkość wypływu cieczy z rurki włosowatej wyraża się wzorem:

V=(Δp*R^2)/(8Lη)

Gdzie: n - współczynnik lepkości

v-prędkość

η=(πR^4pt)/(8Lv)

Gdzie: v-objętość

Prawo Stokesa- dla niewielkich ciał o kształcie kulistym poruszających się z małymi prędkości w ośrodku lepkim siła oporu F jest wprost proporcjonalna do prędkości v, współczynnika lepkości n i promienia kulki.

F=6πRη - siła Stokesa

η=(2r^2g(ρ-ρ1)t)/(9s)

Gdzie: d- gęstość kulki

d1- gęstość cieczy

Prawo Newtona - opisuje zjawisko lepkości ilościowo, mówi że aby zapewnić stał różnice prędkości między warstwami o powierzchni s, odległych o x musi działać siła:

F=(ηsΔv)/Δx

Przepływ laminarny jest to przepływ uwarstwiony (cieczy lub gazu), w którym kolejne warstwy płynu nie ulegają mieszaniu (w odróżnieniu od przepływu turbulentnego, burzliwego). Przepływ taki zachodzi przy małych prędkościach przepływu, gdy liczba Reynoldsa nie przekracza tzw. wartości krytycznej.

Przepływ burzliwy - w mechanice ośrodków ciągłych, reologii i aerodynamice - określenie bardzo skomplikowanego, nielaminarnego ruchu płynów. Ogólniej termin ten oznacza złożone zachowanie dowolnego układu fizycznego, czasem zachowanie chaotyczne. Ruch turbulentny płynu przejawia się w występowaniu wirów, zjawisku oderwania strugi, zjawisku mieszania. Dziedzinami nauki, które analizują zjawiska związane z turbulencją, są: hydrodynamika, aerodynamika i reologia. Model matematyczny turbulencji próbuje się tworzyć na bazie teorii układów dynamicznych i teorii chaosu.

18. Napięcie powierzchniowe. Menisk i włoskowatość. Prawo Laplace'a

Napięcie powierzchniowe - zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą. Polega na powstawaniu dodatkowych sił działających na powierzchnię cieczy w sposób kurczący ją (dla powierzchni wypukłej przyciągający do wnętrza cieczy, dla wklęsłej odwrotnie). Zjawisko to ma swoje źródło w siłach przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Występuje ono zawsze na granicy faz termodynamicznych, dlatego zwane jest też napięciem międzyfazowym . Efektem napięcia powierzchniowego jest np. utrudnione zanurzanie w cieczy ciał nie podatnych na zwilżanie tą cieczą (znika ono w momencie całkowitego zanurzenia takiego ciała). Innym zjawiskiem związanym z napięciem powierzchniowym jest podnoszenie się (np. woda) lub opadanie (np. rtęć) cieczy w wąskich rurkach, tzw. kapilarach - zjawisko to należy do zjawisk kapilarnych.

Menisk jest to powierzchnia rozdzielająca od siebie dwie fazy płynne - gaz i ciecz lub dwie, niemieszające się z sobą ciecze. Menisk przybiera kształt płaskiej powierzchni, wycinka sfery lub hiperboloidy, lub też w szczególnych przypadkach kombinacji wycinka sfery i hiperboloidy. Kształt menisku i kierunek jego wpukłości zależy od:

• w przypadku dwóch cieczy: wypadkowej energii powierzchniowej obu stykających się faz

• w przypadku układu - ciecz-gaz od wypadkowej energii powierzchniowej ścianek naczynia i sumarycznego napięcia powierzchniowego lustra cieczy (oprócz własności samej cieczy jest też zależy od rozmiarów lustra cieczy, który wynika z przekroju naczynia). Jeśli siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ścianek są większe od sił między cząsteczkami cieczy, powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w górę, czyli ciecz ma menisk wklęsły i zwilża ścianki naczynia (np. woda lub olej w naczyniu ze szkła). Jeśli siły między cząsteczkami cieczy i ścianek są małe, powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w dół wtedy ciecz tworzy menisk wypukły i nie zwilża ścianek naczynia (np. rtęć w termometrze).

Zjawiska kapilarne to cały szereg zjawisk związanych z zachowaniem par i cieczy a pojawiających się dla wielu obiektów o małym wymiarze charakterystycznym (np. rurki kapilarne) i silnie zależne od tego wymiaru, przy kącie zwilżania powyżej 90 stopni. W zależności od zwilżania i średnicy rurki zjawisko może się pojawiać lub zanikać - zachodzi ono do momentu, gdy ciężar słupa wody równoważy siły kapilarne.

Pierwsze prawo termochemiczne (prawo Laplace'a) głosi, że molowa entalpia reakcji rozkładu związku chemicznego na pierwiastki jest równa molowej entalpii reakcji tworzenia się tego związku, wziętej ze znakiem przeciwnym.

19. Układ krążenia ssaków. Serce jako pompa

1. Budowa serca

Serce to potężny, umięśniony narząd leżący w klatce piersiowej tuż pod mostkiem. Ściany serca zbudowane są z mięśnia sercowego poprzecznie prążkowanego. Serce zamknięte jest w łącznotkankowym worku- osierdziu. Jama osierdziowa wypełniona jest płynem, który redukuje tarcie serca w czasie pracy. Włókna mięśniowe rozgałęziają się i łączą, tworząc złożoną sieć w całej ścianie serca, poprzez którą mogą ć impulsy nerwowe. Skurcze serca następują wg prawa „wszystko albo nic”- jeżeli impuls nerwowy jest na tyle silny, aby wywołać bicie serca, to powoduje on maksymalny skurcz mięśnia sercowego.

Serce ssaków jest czterodzielne. Zbudowane jest z dwóch przedsionków i dwóch komór. Przedsionki otrzymują krew z żył i przetaczają ją do komór, a komory pompują krew z serca do całego ciała. Ponieważ serce działa na zasadzie pompy, jest wyposażone w działające automatycznie zastawki, które zapobiegają płynięciu krwi w niewłaściwym kierunku. Zastawka pomiędzy prawym przedsionkiem, a prawą komorą nazywana jest trójdzielną, zaś zastawka pomiędzy lewym przedsionkiem i lewa komorą- dwudzielną. U podstawy dwóch dużych tętnic- aorty i tętnicy płucnej znajdują się zastawki półksiężycowate.

2. Obieg krwi

U ssaków można wyróżnić dwa obiegi krwi: duży i mały ( płucny). Obieg duży rozpoczyna się w komorze lewej. Z niej krew natlenowana płynie aortą, a potem tętnicami do wszystkich części ciała. Następnie krew odtlenowana płynie żyłami głównymi do prawego przedsionka. Obieg mały rozpoczyna się w prawej komorze. Krew odtlenowana płynie pniem płucnym do płuc. Tam ulega natlenowaniu i powraca żyłami płucnymi do lewego przedsionka.

3. Rytm pracy serca

Serce wykonuje samoistne rytmiczne skurcze, ponieważ ma własny układ przewodzący. Zbudowany jest on ze specjalnych włókien Purkinjego. Ich cechą jest zdolność do rytmicznego tworzenia i przewodzenia impulsów skurczowych, które rozprzestrzeniają się po całym mięśniu sercowym. Oznacza to, że układ przewodzący spełnia funkcję rozrusznika serca.

W miejscu, gdzie u niższych form występowała zatoka żylna, znajduje się węzeł zatokowo- przedsionkowy. Pomiędzy przedsionkami leży węzeł przedsionkowo- komorowy. Od tego węzła odchodzą włókna Purkinjego, które wchodzą do wszystkich części komór.. Węzeł zatokowo- przedsionkowy inicjuje i reguluje rytm uderzeń serca. W regularnych odstępach czasu rozchodzą się fale skurczów od węzła zatokowo- przedsionkowego, przez włókna mięśniowe przedsionka i kiedy dojdą do węzła przedsionkowo- komorowego , impuls jest przesyłany do komór przez włókna Purkinjego.

20. Siły elektryczne, pole i potencjały elektryczne

Siła elektromotoryczna (SEM) - ilość energii jaką uzyskuje ładunek jednostkowy przemieszczany w urządzeniu (źródle) prądu elektrycznego w przeciwnym kierunku do sił pola elektrycznego oddziałującego na ten ładunek. Siła elektromotoryczna liczbowo jest równa pracy wykonanej przez zewnętrzne źródło energii, potrzebnej na jednokrotny obieg obwodu przez jednostkowy ładunek elektryczny. Źródłami siły elektromotorycznej są generatory elektryczne (prądu stałego i zmiennego), baterie, termopary, fotoogniwa.

Prawo Coulomba głosi, że siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami. Jest to podstawowe prawo elektrostatyki. Prawo to można przedstawić za pomocą wzoru:

,

w którym:

F - siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych, q₁ , q₂ - punktowe ładunki elektryczne, r - odległość między ładunkami, k - współczynnik proporcjonalności:

przy czym:

• 
  

gdzie:

ε - przenikalność elektryczna ośrodka, ε_r - przenikalność elektryczna względna ośrodka (stała dielektryczna), ε₀ - przenikalność elektryczna próżni.

Jednostka ładunku elektrycznego, także nazwana na cześć Kulomba (Charles Coulomba), jest równa połączonym ładunkom 6,24 x 10¹⁸ protonów (lub elektronów).

Pole elektryczne - pole fizyczne, stan przestrzeni w której na ładunek elektryczny działa siła. Pole to opisuje się przez natężenie pola elektrycznego lub potencjał elektryczny. Koncepcję oddziaływania ładunków elektrycznych poprzez pole elektryczne wprowadził Michael Faraday. Natężenie pola elektrycznego jest parametrem pola wektorowego
, definiowanym jako stosunek siły
działającej na ładunek elektryczny q znajdujący się w tymże polu elektrycznym do wartości tegoż ładunku elektrycznego q:

Ładunek z pomocą którego określa się pole, zwany ładunkiem próbnym, musi spoczywać i być na tyle mały, by nie zmieniać układu ładunków w otaczającej przestrzeni.

Potencjałem elektrycznym φ dowolnego punktu P, pola nazywamy stosunek pracy W wykonanej przez siłę elektryczną przy przenoszeniu ładunku q z tego punktu do nieskończoności, do wartości tego ładunku:

.

Jednostką potencjału jest 1V (wolt) równy 1J / 1C ( dżulowi na kulomb ).

21. Prąd stały. Szeregowe i równoległe połączenia oporności

Prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu. Zaletą prądu stałego jest to, że w przypadku zasilania takim prądem wartość chwilowa dostarczanej mocy jest stała, co ma duże znaczenie dla wszelkich układów wzmacniania i przetwarzania sygnałów. Większość półprzewodnikowych układów elektronicznych zasilana jest prądem stałym (a przynajmniej napięciem stałym). Główną zaletą takiego rozwiązania jest to, że urządzenia zawierające układy elektroniczne mogą być zasilane bezpośrednio z przenośnych źródeł energii (baterii lub akumulatorów). Moc dowolnego odbiornika w układzie prądu stałego jest obliczana jako:

gdzie: P - moc, U - stałe napięcie elektryczne, I - stały prąd elektryczny.

Łączenie szeregowe:

Łączenie równoległe:
;

22. Budowa komórek układu nerwowego. Oporność i pojemność neurytu.

Pierwszym podstawowym elementem strukturalnym komórki nerwowej jest ciało neuronu (soma). Ciała neuronów mogą być rozmaitego kształtu: od okrągłych poprzez gwiaździste do wrzecionowatych. Ciało neuronu przechodzi w dwa typy wypustek: aksony (dawna nazwa: wypustki osiowe, neuryt) i dendryty (dawna nazwa: wypustki protoplazmatyczne),

Akson, czyli neuryt, jest głównym rejonem przewodzenia w neuronie, a wiec główną drogą komunikowania się z inną komórką nerwową, lub też z komórką efektora (np. mięsień, gruczoł). Ze względu na spełniane funkcje akson, który jest pojedynczą wypustką neuronu, zwykle charakteryzuje się dużą długością. Akson bierze swój początek w obszarze neuronu zwanym odcinkiem początkowym aksonu. Zakończenie aksonu, zwykle mniej lub bardziej rozgałęzione, tworzy element wyjścia neuronu.

W budowie struktur osłonowych uczestniczą komórki należące do tkanki glejowej. W zależności od typów osłonek okrywających akson, wyróżniamy włókna nerwowe z osłonką mielinową, czyli rdzenne, i włókna nerwowe bez osłonki mielinowej, czyli bezrdzenne.

We włóknach rdzennych akson otoczony jest dwoma osłonkami: osłonką mielinową oraz neurolemą (dawna nazwa: osłonka Schwanna). Osłonka mielinową nie ma charakteru ciągłego. Przerywa się ona w regularnych odstępach, tworząc cieśni węzłów (dawna nazwa: przewężenia Ranviera). Neurolemą pokrywa osłonkę mielinową na przestrzeni całego włókna, a więc także w obrębie cieśni węzłów.

Opór błony mielinowanej jest znacznie większy niż niemielinowanej, pojemność natomiast znacznie mniejsza, co sprawia, że właściwości transmisyjne aksonu mielinowanego są znacznie lepsze niż aksonu pozbawionego osłonki.

Drugim rodzajem wypustek neuronu są dendryty, stanowiące element wejścia neuronu. Występują one w neuronie w znacznej niekiedy liczbie i zwykle są krótsze od aksonu, a poza tym cechują się posiadaniem licznych drzewiastych rozgałęzień.

Stymulacja wejścia neuronu (dendryty i ciało neuronu) nie prowadzi bezpośrednio do powstania potencjału czynnościowego w tym rejonie, a jedynie do szerzenia się fali depolaryzacji w kierunku odcinka początkowego aksonu, który ze względu na niski próg jest miejscem wyzwolenia potencjału czynnościowego. Prędkość przewodzenia impulsów wzdłuż włókien nerwowych zależy od średnicy włókien nerwowych oraz od sposobu przewodzenia. Prędkość przewodzenia potencjału czynnościowego zależy od podłużnej oporności włókna nerwowego. Ta oporność, podobnie jak w układach nieożywionych, jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu średnicy przewodnika. Wynika stąd, że włókna o dużym przekroju będą miały względnie niską oporność aksoplazmy i co za tym idzie - zdolność do większej prędkości przewodzenia potencjałów czynnościowych, włókna zaś o przekroju mniejszym będą miały wyższą oporność aksoplazmy i przewodzić będą wolniej. We włóknach rdzennych, dzięki dobrym właściwościom izolacyjnym osłonki mielinowej, prędkość przewodzenia jest znacznie wyższa, niż wskazywałby na to porównawczo przekrój włókna. Prędkość przewodzenia fali depolaryzacji we włóknach nerwowych jest "dopasowana" do funkcji danych włókien.

• Elektroencefalogram i elektrokardiogram

• Elektroencefalograf to urządzenie, które rejestruje zespół słabych sygnałów elektrycznych zapisanych jednocześnie w różnych punktach skóry głowy. Sygnały te wyrażają rytmy i fazy zwane także falami mózgowymi. Są to drgania elektryczne w miarę regularne o częstotliwości, która nie przekracza 0,5-35 Hz. Informują one o rozmieszczeniu źródeł fal elektromagnetycznych wewnątrz mózgu. Zależności między wykresami pozwalają scharakteryzować fale mózgowe, a interpretację wykorzystać do celów diagnostycznych przez porównanie aktywności mózgu normalnej z patologiczną. Elektrokardiogram zwykle nazywany EKG jest to zarejestrowana elektryczna aktywność serca przy pomocy elektrod zamocowanych na skórze klatki piersiowej.Badanie EKG pozwala na ocenę rytmu i częstości pracy serca oraz umożliwia wykrycie uszkodzenia mięśnia sercowego u osób które przeszły lub właśnie przechodzą zawał serca. Na podstawie zapisu EKG można również ocenić wielkość komór serca.
  
  Opis badania
  
  Badanie EKG może być wykonane w gabinecie lekarskim, w przychodni albo przy łóżku chorego. W czasie badania pacjent ułożony jest w pozycji leżącej z odkrytymi kończynami i klatką piersiową. Elektrody przymocowuje się na kończynach górnych i dolnych oraz klatce piersiowej przy pomocy specjalnych uchwytów lub przyssawek. Żel którym smaruje się skórę przed założeniem elektrod zwiększa przewodzenie pobudzeń elektrycznych. Podczas badania należy pozostać w bezruchu, ponieważ skurcze mięśni zaburzają zapis. Wynik jest w postaci graficznego wykresu, który następnie jest interpretowany przez lekarza. Całe badanie trwa około 5-10

• Zastosowanie pomiarów oporności. Elektroforeza

Elektroforeza - technika analityczna, rzadziej preparatywna, stosowana w chemii i biologii molekularnej, zwłaszcza w genetyce. Jej istotą jest rozdzielenie mieszaniny związków chemicznych na możliwie jednorodne frakcje przez wymuszanie wędrówki ich cząsteczek w polu elektrycznym.

Cząsteczki różnych substancji różnią się zwykle ruchliwością elektroforetyczną. Parametr ten jest w przybliżeniu wprost proporcjonalny do ładunku elektrycznego cząsteczki i odwrotnie proporcjonalny do jej wielkości. Zależy także od kształtu cząsteczki.

Istnieje wiele wariantów tej techniki. W zależności od ośrodka, w którym następuje rozdział wyróżnić można elektroforezę bibułową (dziś już przestarzałą i praktycznie nie używaną), żelową i kapilarną.

23. Promieniowanie termiczne. Prawo Stefana-Boltzmana. Prawo Wiena

Promieniowanie cieplne (termiczne) to promieniowanie, które wytwarza ciało mające temperaturę większą od zera bezwzględnego. Promieniowanie to jest falą elektromagnetyczną o określonym widmie częstotliwości. Przykładem promieniowania cieplnego jest podczerwień emitowana przez wszystkie ciała w naszym otoczeniu. Promieniowanie większości ciał, z wyjątkiem rozrzedzonych gazów i barwników, jest do siebie zbliżone posiadając wiele wspólnych cech. Fizycy wprowadzili pojęcie ciało doskonale czarne, którego emisja w danej temperaturze jest największa ze wszystkich ciał. Promieniowanie tła też charakteryzuje się widmem zbliżonym do promieniowania cieplnego.

Prawo Stefana-Boltzmanna opisuje całkowitą moc wypromieniowywaną przez ciało doskonale czarne w danej temperaturze:

gdzie

Φ - strumień energii wypromieniowywany w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała [W / m²]

σ - stała Stefana-Boltzmanna

T - temperatura w skali Kelvina

Prawo Wiena - prawo opisujące promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez ciało doskonale czarne. Ze wzrostem temperatury widmo promieniowania ciała doskonale czarnego przesuwa się w stronę fal krótszych, zgodnie ze wzorem:

gdzie:

- długość fali o maksymalnej mocy promieniowania mierzona w metrach

- temperatura ciała doskonale czarnego mierzona w kelwinach,

- stała Wiena

Prawo Wiena jest wnioskiem z rozkładu Plancka promieniowania ciała doskonale czarnego. Prawo Wiena zostało nazwane na cześć odkrywcy Wilhelma Wiena, który sformułował je na podstawie danych doświadczalnych w 1893 roku. Prawo Plancka zostało sformułowane w 1900 roku. Znajduje ono zastosowanie przy badaniu temperatur gwiazd, przy przybliżeniu, że promieniują one jak ciało doskonale czarne (co jest bliskie prawdy).

24. Zjawisko fotoelektryczne

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne - polega na emisji elektronów z powierzchni metalu pod wpływem padającego światła.
E=h*f
h=stała Planca: 6,63*10-34 J*s
f-częstotl padającego światła.
· Aby wystąpiło zjawisko fotoelektryczne zewn, energia fotonu musi być wieksza bądź równa pracy wyjścia elektronu z powierzchni metalu.
h*f0=W v e*U=W
W-praca wyjścia
U-napięcie powierzchniowe
· Jeśli Ef > W , wtedy ta energia wykorzystana jest do wybicia i nadania Ek, czyli: Ef=W+Ek
· h*f = W + mv2/2 -równanie Einsteina
· Zjawisko elektryczne zewn świadczy o korpuskularnej (cząsteczkowej) budowie światła.
· W ujęciu korpuskularnym światło to strumień maleńkich cząsteczek, zwanych fotonami, z których każdy foton niesie najmniejszą porcję energii zwaną kwantem.
· Światło ma naturę dualna (podwójną), tzn., że w niektórych zjawiskach zachowuje się jak fala elektromagnet (interferencja, dyfrakcja, polaryzacja), a w innych jak strumień fotonów ( zjawisko fotoelektryczne zewn, zjawisko Comptona).
· W zjawisku fotoelektrycznym zewn jeden foton wybija tylko jeden elektron. Ilość wybitych elektronów zależy od ilości padających fotonów.

Zastosowania
Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w bateriach słonecznych, fotopowielaczach, elementach CCD w aparatach cyfrowych, fotodiodach itd. Pochłaniane przez te urządzenia światło wykorzystywane jest do wytwarzania prądu elektrycznego i generowania ładunku, którego ilość można zmierzyć.

I postulat Bohra:
Elektron może krążyć tylko po tej orbicie dozwolonej, dla której moment pędu elektronu jest całkowitą wielokrotnością stałej Planca podzielonej przez 2 π.
mv2= e2 / 4 πε0r
EC= -e2 / 8 πε0r
Energia całkowita elektronu w atomie wodoru jest zawsze mniejsza od 0 i tym większa im na dalszej orbicie znajduje się elektron.
r = n2 h2 ε0 / π m e2
r1 = ε0 h2 / π m e2
rn = r1 * n2 - promień n-tej orbity dozwolonej jest wprostproporcjonalny do kwadratu głównej l.kwantowej n.
En = -e4 * m / 8 ε02 n2 h2
E1 = -e4 * m / 8 ε02 h2 = -13,6 eV
eV = 1,6-10-18J
En=E1 / n2 - energia na n-tej orbicie dozwolonej

II postulat Bohra:
Aby elektron w atomie mógł przeskoczyć z orbity bliższą na dalszą musi pochłonąć pewną porcję energii. Gdy powraca(przeskakuje) z orbity dalszej na bliższą emituje falę elektromagnetyczna, która niesie okreslona porcje energii
En > Ek
1/λ = e4 * m / 8 ε02 h3 c * (1/k2 - 1/n2)
(R) - stała Rytberga

1/λ = R * (1/k2 - 1/n2) - wzór na odwrotność dł fali elektromagn, która jest emitowana podczas przeskoku z orbity n (dalszej) na orbitę k (bliższą)
Ř Jeżeli w probówce będą pobudzone do świecenia atomy wodoru, to po rozszczepieniu wysyłanego przez nie światła pojawiają się na ciemnym tle pojedyncze prążki (linie widmowe) odpowiadające określonym długościom fali. Takie widmo nazywamy dyskretnym lub liniowym.
Ř Możliwe serie widmowe wodoru:
- seria Lymana (nadfiolet, ultrafiolet) - jeżeli elektron przeskakuje z orbit dalszych na orbitę 1
- seria Balmera (widzialna) - jeśli elektron przeskakuje z orbit dalszych na orbite 2 ( gdy przeskakuje z 3 na2 - barwa czerwona(760nm); z 4na2 - barwa niebieska (480nm); z 5,6,7na2 - barwa fioletowa (397nm);
- seria Paschena (podczerwien) - gdy elektron przeskakuje z orbit dalszych na 3
- seria Bracketta - gdy elektron przeskakuje z orbit dalszych na 4
- seria Pfunda - gdy elektron przskakuje z orbit dalszych na 5
- seria Humprejsa - gdy elektron przeskakuje z orbit dalszych na 6

Długość fali de Broglie'a :
λ = h/p = h/ mcz vcz h-stała Planca, p-pęd elektronu(cząstki)
m= m0 / √1-v2/c2. m-masa relatywistyczna, m0-masa spoczynkowa
Każdej cząstce elementarnej poruszającej się z pewną prędkością, przypisujemy pewną długość fali materii: Δf * Δ t >= 1/4π
ΔE*Δt >= h/4π
Δp*Δx>=h/4 π

Zasady nieoznaczoności Heisenberga:
ü Δf * Δ t >= 1/4π
Nie można jednocześnie wyznaczyć dowolnie dokładnie częstotliwości f i chwili czasu t, w której ją mierzymy.Im mniejsza cędzie niepewność jednej z tych wielkości tym większa będzie niepewność drugiej z nich.
ü ΔE*Δt >= h/4π
Nie można jednocześnie wyznaczyć dowolnie dokładnie wartości energii E i chwili czasu t, w której ją mierzymy. Ich niepewność spełniają zawsze nierówność: ΔE*Δt >= h/4π
ü Δp*Δx>=h/4 π
Nie można jednocześnie wyznaczyć dowolnie dokładnie pędu i położenia x, w którym go mierzymy. Ich niepewność spełniają zawsze nierówn: Δp*Δx>=h/4 π

Stała Planca jest miarą ziarnistości, czyli skwantowania energii.

LASER:

W laserze występują 2 zjawiska:
- pompowanie optyczne
- emisja wymuszona
Jeśli atomy substancji laserowej zostaną oświetlone światłem o dł fali odpowiadającej różnicy energii E2-E0 to zostaną one wzbudzone ze stanu podstawowego do wyższego stanu wzbudzonego.
Część z nich wyśle następnie spontanicznie foton o takiej samej energii i powróci do stanu podstawowego, część jednak wyśle fotono niższej energii i znajdzie się w stanie metastabilnym. Jeśli błyski światła będą dostatecznie intensywne, po pewnym czasi większość atomów znjadzie się w stanie metastabilnym. Proces ten nazywamy pompowaniem optycznym.
Jeżeli do lasera wpadnie foton o energii równej różnicy E1-E0 to spowoduje on emisje wymuszona następnego fotonu o tej samej energii i przejscie atomu do stanu podstawowego. Za pomocą układu luster możemy spowodowac wilokrotne przejscie fotonów przez substancje laserową, co wywoła lawinowa emisję wymuszoną - akcję laserowa.

25. Powstawanie i własności promieni Roentgena i ich zastosowanie

Promieniowanie rentgenowskie (w wielu krajach nazywane promieniowaniem X lub promieniami X) - to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. Znanym skrótem nazwy jest promieniowanie rtg. Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w praktyce (np. w lampie rentgenowskiej) poprzez wyhamowywanie rozpędzonych elektronów na materiale o dużej (powyżej 20) liczbie atomowej (promieniowanie hamowania), efektem czego jest powstanie promieniowania o charakterystyce ciągłej, na którym widoczne są również piki pochodzące od promieniowania charakterystycznego katody (rozpędzone elektrony wybijają elektrony z atomów katody). Wybite elektrony pochodzące z dolnych powłok elektronowych pozostawiają je pustymi do czasu aż elektron z wyższej powłoki go nie zapełni. Elektron przechodząc z wyższego stanu emituje kwant promieniowania rentgenowskiego - następuje emisja charakterystycznego promieniowania X. Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają m.in. na diagnostykę złamań kości i chorób płuc. Naświetlanie promieniami rentgenowskimi zabija komórki nowotworowe, co wykorzystuje się w radioterapii. Jednak przyjęcie dużej dawki promieniowania może powodować oparzenia i chorobę popromienną.

26. Budowa jądra atomowego, defekt masy, energia wiązania

Budowa atomu - pojęcia

Proton - ciężka cząstka elementarna, o dodatnim ładunku elektrycznym i masie 1,6726*10^-27kg; składnik jądra atomowego.

Elektron - trwała cząstka elementarna o ujemnym ładunku elektrycznym 1,602*10^-19C i masie spoczynkowej 9,109*10^-31kg, jeden z podstawowych składników atomu, które krążą wokół jądra wytwarzając wokół chmurę elektronową.

Neutron - ciężka, elektrycznie obojętna cząstka elementarna o masie 1,6748*10^-27kg; składnik jądra atomowego; swobodny - nietrwały, rozpada się na proton z emisją negatonu i antyneutrina.

Jądro atomowe - centralna część atomu skupiająca całą jego masę, o rozmiarach ok. 20 tys. razy mniejszych od rozmiarów atomu; złożone z nukleonów (protonów i neutronów) powiązanych siłami, stanowi układ nietrwały (ok. 300 jąder) lub nietrwały (ok. 1500 jąder), ulegający rozpadowi promieniotwórczemu; gł. wielkości charakteryzujące - liczba masowa i liczba atomowa.

Każdy atom składa się z jądra i elektronów przebywających w przestrzeni pozajądrowej. Jądro składa się z protonów i neutronów, tzw. nukleonów (wyjątkiem jest izotop wodoru





w jądrze którego jest tylko proton). Liczbę protonów w jądrze podaje tzw. liczba atomowa Z, natomiast liczbę nukleonów - tzw. liczba masowa A.
Jądro atomu.

Składa się z protonów obdarzonych ładunkiem + i neutronów nie obdarzonych ładunkiem. W lekkich jądrach liczba protonów i elektronów jest jednakowa. W ciężkich przeważa ilość neutronów. Odpowiedzialne są za to siły jądrowe: występują one tylko pomiędzy najbliższymi nukleonami - przyciągają się. Natomiast siły elektrostatyczne działają odpychająco pomiędzy wszystkimi protonami. Gdyby ilość protonów i neutronów w ciężkim jądrze była jednakowa, przeważyłyby siły odpychające, i jądro rozpadłoby się.

Siły jądrowe mają mały zasięg, ale są najsilniejsze ze wszystkich sił w przyrodzie.

Rozmiary jądra atomowego :

 
 
.
Proton ma ładunek +1 i masę około 1 u. Neutron jest obojętny elektrycznie i ma masę również około 1 u. Elektron ma ładunek -1 i masę 0,00055 u. Bardziej szczegółowo budową jądra zajmuje się fizyka. Jądro ma zawsze mniejszą masę, niż wynikałoby to z sumowania mas składników tego jądra. Różnica pomiędzy sumą mas nukleonów tworzących jądro danego atomu a rzeczywistą masą tego jądra to tzw. defekt masy. Różnica ta odniesiona do jednostki masy atomowej stanowi tzw. względny defekt masy i jest miarą energii wiązania elementów składowych jądra. Nuklid jest to zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej i tej samej liczbie masowej, np.



                                                                                 

Izotopy - atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie masowej, np.

Izotony - atomy różnych pierwiastków o takiej samej liczbie neutronów, lecz różnej liczbie masowej, np.


Izobary - atomy różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej, np.

Energia wiązania jądra atomowego.

Przy obliczeniu masy jądra atomowego według wzoru :


 ,
dojdziemy do wniosku, że jest ona mniejsza od masy odczytanej z tablicy Mendelejewa. Niedobór masy związany jest z energią wiązania. Energię tę wyliczymy ze wzoru:


  .
W przeliczeniu : 1 jednostka atomowa jest równa 931 megaelektronowoltom. Ta energia to energia wiązania - energia, która wydzieli się podczas łączenia nukleonów w jądra atomowe, lub którą należy dostarczyć aby podzielić jądro na nukleony.
Energia właściwa - energia wiązania atomowego przypadająca na jeden nukleon :




Najważniejsza krzywa świata :




Oznaczenia:
A - określa ilość nukleonów w jądrze (suma protonów i neutronów);
E - energia wiązania;
E_W - energia właściwa.

27. Promieniotwórczość naturalna, prawo rozpadu promieniotwórczego, prawo przesunięć promieniotwórczych

Promieniowanie naturalne - promieniowanie jonizujące pochodzące wyłącznie ze źródeł naturalnych. Z naturalnych pierwiastków radioaktywnych obecnych w glebie, skałach, powietrzu i wodzie:

• obecnych w minerałach, przyswajanych przez rośliny i zwierzęta, a także używanych jako materiały konstrukcyjne,

• syntezowanych w atmosferze (i przenikających do hydrosfery) wskutek reakcji składników atmosfery z promieniowaniem kosmicznym,

• promieniowanie przenikłe do środowiska wskutek działalności przemysłowej człowieka (wydobycie rud uranu, spalanie węgla zawierającego pierwiastki promieniotwórcze).

Prawo rozpadu naturalnego - to zależność określająca szybkość ubywania pierwotnej masy substancji zbudowanej z jednego rodzaju cząstek, która ulega naturalnemu, spontanicznemu rozpadowi. Prawo ma zastosowanie w rozpadzie promieniotwórczym ciał, ale w ogólności dotyczy wielu procesów fizycznych. Prawo to głosi, że jeśli prawdopodobieństwo rozpadu cząstek tworzących substancję jest dla każdej nich jednakowe i niezależne oraz nie zmienia się w czasie trwania procesu rozpadu, to ubytek masy substancji w niewielkim odcinku czasu można wyrazić wzorem:

Prawo przesunięć, inaczej prawo lub reguła Soddy'ego i Fajansa, określa w jaki sposób określony typ przemiany pierwiastka promieniotwórczego wpływa na rodzaj wytworzonego nuklidu:

• W przypadku rozpadu α (przemiany α) powstaje pierwiastek o liczbie atomowej mniejszej o 2 oraz liczbie masowej mniejszej o 4 (przesunięcie w układzie okresowym o 2 miejsca w lewo), np.

• W przypadku rozpadu β^- (przemiany β^-) powstaje - nuklid izobaryczny - jądro pierwiastka o liczbie atomowej większej o 1 oraz tej samej liczbie masowej (przesunięcie w układzie okresowym o 1 miejsce w prawo), np.

• W przypadku rozpadu β⁺ (przemiany β⁺) powstaje - nuklid izobaryczny - jądro pierwiastka o liczbie atomowej mniejszej o 1 oraz tej samej liczbie masowej (przesunięcie w układzie okresowym o 1 miejsce w lewo), np.

28. Promieniowanie jonizujące - oddziaływanie z materią

Promieniowaniem jonizującym określa się wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Za promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące uznaje się promieniowanie o energii większej od światła widzialnego.Promieniowanie może jonizować materię dwojako: bezpośrednio lub pośrednio. Promieniowanie jonizujące bezpośrednio to obiekty posiadające HYPERLINK "http://pl.wikipedia.org/wiki/Ładunek_elektryczny" ładunek elektryczny - jonizują głównie przez oddziaływanie kulombowskie.

Najważniejsze przykłady:

1. promieniowanie alfa (α, jądra HYPERLINK "http://pl.wikipedia.org/wiki/Hel_(pierwiastek)" helu; ładunek elektryczny +2e),

2. promieniowanie beta (β±, HYPERLINK "http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektron_(cząstka_elementarna)" elektron i antyelektron, ładunek elektryczny +1e, -1e, odpowiednio). Promieniowanie jonizujące pośrednio to promieniowanie składające się z obiektów nieposiadających ładunku elektrycznego.

3. Promieniowanie jonizujące, ze względu na jego destrukcyjne oddziaływanie z żywą materią, jest przedmiotem zainteresowania radiologii - w celu ochrony przed nim (ochrona radiologiczna), w celach leczniczych i diagnostycznych (radioterapia, medycyna nuklearna). Substancje emitujące promieniowanie jonizujące nazywamy promieniotwórczymi.

29. szkodliwe działanie promieniowania

Szkodliwe działanie promieniowania:

Uszkodzenia popromienne ze względu na rodzaj ich następstw dzielimy nauszkodzenia somatyczne tzn. wpływające na procesy odpowiedzialne za utrzymanie organizmu przy życiu oraz genetyczne tzn. naruszające zdolność organizmu do prawidłowego przekazywania cech potomstwu. Typowym skutkiem poważnych uszkodzeń somatycznych jest choroba popromienna. W zależności od stopnia uszkodzeń choroba popromienna może zakończyć się śmiercią lub przejść w fazę przewlekłą ze stopniowym wyniszczeniem organizmu. Promieniowanie jonizujące może powodować uszkodzenia genetyczne polegające na zmianie struktury chromosomów wchodzących w skład komórek rozrodczych. Ich następstwem są mutacje, w efekcie których wśród napromieniowanych roślin lub zwierząt mogą pojawiać się mutanty, tzn. osobniki różniące się szeregiem cech od organizmów macierzystych. Na szczęście organizmy wykazują w pewnych granicach zdolność do naprawiania niepożądanych zmian.

A

B

F_AB

F_BA

---