Теплое излучение тел. Характеристики излучения.
1//////Тепловое излучение тел. Характеристики излучения. Абсолютно черное тело. Законы теплового излучения.
Все тела излучают электромагнитные волны, интенсивность и спектральный состав которых существенно зависят от температуры тела – тепловое излучение. Чем выше температура тела, тем интенсивнее это излучение. Основные характеристики:
Поток излучения – кол-во энергии, излучаемое за 1с. со всей поверхности тела по всем направлениям и на всех длинах волн. Ф=Е/t [Дж/с=Вт]
Энергетическая светимость – кол-во энергии, излучаемое за 1с. с 1м2 поверхности тела по всем направлениям и во всем спектральном диапазоне. R=Ф/S=E/t*S [Вт/м2]
Спектральная плотность – кол-во энергии, излучаемое за 1с. с 1 м2 поверхности тела по всем направлениям на длине волны L в единичном спектральном диапазоне. rL=dR/dL [Вт/м3], где rL – спектр теплового излучения тела.
Монохроматический коэф. поглощения аL=Фпогл(L)/Фпад(L). Безразмерная величина.
Зависимость аL от длины волны – спектр поглощения тела. 3 группы:
Абсолютно черные тела (сажа, Солнце, специальная модель ) полностью поглощают любое излучение а=1; серые тела (кожа человека а=0,9)поглощают не полностью, но одинаково на всех длинах волн а<1; остальные тела по разному поглощают на разных длинах волн. а=f(L).
Законы теплового излучения:
Закон Кирхгофа: при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения не зависит от природы тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:/
(rL/aL)1= (rL/aL)2=…=ЕL/1= ЕL.
Следствия: 1.чем больше тело поглощает, тем больше излучает энергии; 2.при одинаковой температуре наиболее интенсивным источником теплового излучения является абсолютно черное тело, т.к. а<1.
Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна 4-й степени его абсолютной температуры. R=δT4. Постоянная Больцмана δ=5,67*10-8 Вт/(м2К4)
R=аδT4 – для серых тел.
Закон Вина определяет зависимость положения max спектра излучения абсолютно черного тела от температуры: длина волны на которую приходится max спектральной плотности обратно пропорциональна абсолютной температуре этого тела: Lmax=b/T, где b =2,898*10-3 м*К – постоянная Вина.
2///////Укажите все известные вам адаптации глаза к условиям разной освещенности.
Адаптация – процесс приспособления глаза к разному уровню освещенности. При повышенной освещенности объекта – световая адаптация (в течение минуты), при пониженной – темновая (до часа).
При дневном освещении Lmax=550нм, в сумерках Lmax=510нм.
Механизмы адаптации: изменение диаметра зрачка глаза (за0,3с в диапазоне от 2 до 8мм); изменение концентрации родопсина а палочках и йодопсина в колбочках.
Световая адаптация – быстрый распад зрительных пигментов, темновая – медленное восстановление зрительных пигментов, под действием фермента.
Абсолютный порог чувствительности глаза – 60-150квантов сине-зеленого света (17 квантов – на палочки).
К зрению применим закон Вебера-Фехнера: зрительное ощущение Е пропорционально логарифму интенсивности I падающего в глаз света: Е=k*lnI+C,где С – зависит от адаптации глаза.
Разностный порог – min обнаруживаемая человеком разность интенсивностей пятна и фона I1=I+dI, а его отношение к интенсивности фона – дифференциальным порогом dI/I.
Дифференциальный порог dI/I=1/kdE не зависит от яркости фона и определяется только чувствительностью глаза.
Разностный порог dI=1/k*I*dE – пропорционален как чувствительности глаза, так и яркости фона.
3///////Укажите различия в тепловых эффектах при индуктометрии и УВЧ-терапии.
Индуктометрия. На биоткань воздействуют высокочастотным магнитным полем с частотой 13,56МГц. В=В0sin2пvt.В ткани образуются вихревые токи Фуко, которые вызывают прогрев проводящих тканей. Лучше прогреваются ткани с малым удельным сопротивлением, т.е. жидкие проводящие среды (кровь, лимфа, тканевая жидкость) и ткани, богатые сосудами (мышцы, селезёнка), слабее прогреваются ткани с высоким удельным сопротивлением. Тепловой эффект ∆t=1,5-20С.
УВЧ-терапия. Воздействие на ткань пациента электрическим полем ультравысокой частоты 40,68МГц, с целью их прогрева. Участок между двумя электродами, подключённые к терапевтическому контуру аппарата УВЧ-терапии.
В проводящих тканях закон Джоуля-Ленца, который здесь удобно выразить через эффективную напряжённость электрического поля и удельное электрическое сопротивление ткани: qпр=E2эф/p.
Для диэлектриков: qдиэл=2пvEE0 E2эфtgδ, Е – относительная диэлектрическая проницаемость среды, Е0 – электрическая постоянная вакуума, tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.
При процедуре УВЧ тепло выделяется и в проводящих электрический ток тканях, и в диэлектриках.
На частоте 40,68МГц эффективнее прогреваются диэлектрические ткани.
Никаких металлических предметов на теле пациента при УВЧ не должно быть, т.к. они будут интенсивно нагреваться, что приведет к ожогу.
4////////За сутки активность радиоактивного препарата уменьшилась от 16 до 2 мКи. Определить период полураспада радионуклида.
А=А0е-Lt, 2=16е-Lt, L=0,0866. L=0,69/T, T=0,69/L=7,967 часов. Ответ: 8 часов.
5/////////Нарисуйте ЭКГ и поясните связь между зубцами ЭКГ и процессами в миокарде.
Центр автоматии (пейсмекер) запускает цикл сокращения сердца.
Прямая, маленький бугорок Р, маленький отрезок, маленький зубец вниз Q, зубец вверх R, зубец вниз S>Q, прямая, большой бугорок Т.
Зубец Р – деполяризация предсердий (t=0,1с);
Сегмент PQ – возбуждение всех отделов предсердий, происходит задержка передачи возбуждения на желудочки (t=0,05с);
Комплекс QRS – деполяризация желудочков (t=0,08с);
Сегмент ST – возбуждение всех отделов желудочков (t=0,28с);
Зубец Т - реполяризация желудочков (t=0,25с).
Вся систола желудочков (интервал QT) длится 0,3-0,4с. После паузы (диастолы 0,4с.) пейсмекер запускает новую волну возбуждения сердца.
6/////// скорость пульсовой волны в бедренной артерии. Модуль Юнга примерно равен 106 Па, отношение толщины стенки сосуда к её диаметру h/d=0,05, плотность крови 1000кг/м3.
По формуле Моенса-Кортевега v=√(Eh/pd), v=7,07м/c. Ответ: 7м/с.
Все тела излучают электромагнитные волны, интенсивность и спектральный состав которых существенно зависят от температуры тела – тепловое излучение. Чем выше температура тела, тем интенсивнее это излучение. Основные характеристики:
Поток излучения – кол-во энергии, излучаемое за 1с. со всей поверхности тела по всем направлениям и на всех длинах волн. Ф=Е/t [Дж/с=Вт]
Энергетическая светимость – кол-во энергии, излучаемое за 1с. с 1м2 поверхности тела по всем направлениям и во всем спектральном диапазоне. R=Ф/S=E/t*S [Вт/м2]
Спектральная плотность – кол-во энергии, излучаемое за 1с. с 1 м2 поверхности тела по всем направлениям на длине волны L в единичном спектральном диапазоне. rL=dR/dL [Вт/м3], где rL – спектр теплового излучения тела.
Монохроматический коэф. поглощения аL=Фпогл(L)/Фпад(L). Безразмерная величина.
Зависимость аL от длины волны – спектр поглощения тела. 3 группы:
Абсолютно черные тела (сажа, Солнце, специальная модель ) полностью поглощают любое излучение а=1; серые тела (кожа человека а=0,9)поглощают не полностью, но одинаково на всех длинах волн а<1; остальные тела по разному поглощают на разных длинах волн. а=f(L).
Законы теплового излучения:
Закон Кирхгофа: при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения не зависит от природы тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:/
(rL/aL)1= (rL/aL)2=…=ЕL/1= ЕL.
Следствия: 1.чем больше тело поглощает, тем больше излучает энергии; 2.при одинаковой температуре наиболее интенсивным источником теплового излучения является абсолютно черное тело, т.к. а<1.
Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна 4-й степени его абсолютной температуры. R=δT4. Постоянная Больцмана δ=5,67*10-8 Вт/(м2К4)
R=аδT4 – для серых тел.
Закон Вина определяет зависимость положения max спектра излучения абсолютно черного тела от температуры: длина волны на которую приходится max спектральной плотности обратно пропорциональна абсолютной температуре этого тела: Lmax=b/T, где b =2,898*10-3 м*К – постоянная Вина.
2///////Укажите все известные вам адаптации глаза к условиям разной освещенности.
Адаптация – процесс приспособления глаза к разному уровню освещенности. При повышенной освещенности объекта – световая адаптация (в течение минуты), при пониженной – темновая (до часа).
При дневном освещении Lmax=550нм, в сумерках Lmax=510нм.
Механизмы адаптации: изменение диаметра зрачка глаза (за0,3с в диапазоне от 2 до 8мм); изменение концентрации родопсина а палочках и йодопсина в колбочках.
Световая адаптация – быстрый распад зрительных пигментов, темновая – медленное восстановление зрительных пигментов, под действием фермента.
Абсолютный порог чувствительности глаза – 60-150квантов сине-зеленого света (17 квантов – на палочки).
К зрению применим закон Вебера-Фехнера: зрительное ощущение Е пропорционально логарифму интенсивности I падающего в глаз света: Е=k*lnI+C,где С – зависит от адаптации глаза.
Разностный порог – min обнаруживаемая человеком разность интенсивностей пятна и фона I1=I+dI, а его отношение к интенсивности фона – дифференциальным порогом dI/I.
Дифференциальный порог dI/I=1/kdE не зависит от яркости фона и определяется только чувствительностью глаза.
Разностный порог dI=1/k*I*dE – пропорционален как чувствительности глаза, так и яркости фона.
3///////Укажите различия в тепловых эффектах при индуктометрии и УВЧ-терапии.
Индуктометрия. На биоткань воздействуют высокочастотным магнитным полем с частотой 13,56МГц. В=В0sin2пvt.В ткани образуются вихревые токи Фуко, которые вызывают прогрев проводящих тканей. Лучше прогреваются ткани с малым удельным сопротивлением, т.е. жидкие проводящие среды (кровь, лимфа, тканевая жидкость) и ткани, богатые сосудами (мышцы, селезёнка), слабее прогреваются ткани с высоким удельным сопротивлением. Тепловой эффект ∆t=1,5-20С.
УВЧ-терапия. Воздействие на ткань пациента электрическим полем ультравысокой частоты 40,68МГц, с целью их прогрева. Участок между двумя электродами, подключённые к терапевтическому контуру аппарата УВЧ-терапии.
В проводящих тканях закон Джоуля-Ленца, который здесь удобно выразить через эффективную напряжённость электрического поля и удельное электрическое сопротивление ткани: qпр=E2эф/p.
Для диэлектриков: qдиэл=2пvEE0 E2эфtgδ, Е – относительная диэлектрическая проницаемость среды, Е0 – электрическая постоянная вакуума, tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.
При процедуре УВЧ тепло выделяется и в проводящих электрический ток тканях, и в диэлектриках.
На частоте 40,68МГц эффективнее прогреваются диэлектрические ткани.
Никаких металлических предметов на теле пациента при УВЧ не должно быть, т.к. они будут интенсивно нагреваться, что приведет к ожогу.
4////////За сутки активность радиоактивного препарата уменьшилась от 16 до 2 мКи. Определить период полураспада радионуклида.
А=А0е-Lt, 2=16е-Lt, L=0,0866. L=0,69/T, T=0,69/L=7,967 часов. Ответ: 8 часов.
5/////////Нарисуйте ЭКГ и поясните связь между зубцами ЭКГ и процессами в миокарде.
Центр автоматии (пейсмекер) запускает цикл сокращения сердца.
Прямая, маленький бугорок Р, маленький отрезок, маленький зубец вниз Q, зубец вверх R, зубец вниз S>Q, прямая, большой бугорок Т.
Зубец Р – деполяризация предсердий (t=0,1с);
Сегмент PQ – возбуждение всех отделов предсердий, происходит задержка передачи возбуждения на желудочки (t=0,05с);
Комплекс QRS – деполяризация желудочков (t=0,08с);
Сегмент ST – возбуждение всех отделов желудочков (t=0,28с);
Зубец Т - реполяризация желудочков (t=0,25с).
Вся систола желудочков (интервал QT) длится 0,3-0,4с. После паузы (диастолы 0,4с.) пейсмекер запускает новую волну возбуждения сердца.
6/////// скорость пульсовой волны в бедренной артерии. Модуль Юнга примерно равен 106 Па, отношение толщины стенки сосуда к её диаметру h/d=0,05, плотность крови 1000кг/м3.
По формуле Моенса-Кортевега v=√(Eh/pd), v=7,07м/c. Ответ: 7м/с.