Руководство К Лабораторным Работам По Медицинской И Биологической Физике

Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике

/ Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике

Чем больше скорость вращения, тем на больший угол повернется внутренний цилиндр. С учетом упругости пружины круговая шкала позволяет измерять вязкость жидкости при различных скоростях вращения, то есть при разных значениях градиента скорости в жидкости между цилиндрами. Обычно определяют "кривую течения" -зависимость касательного напряженияF_т_p /Sот градиента скоростиd?/dx.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Вязкость жидкостей определяют при помощи капиллярного вискозиметра Оствальда (рис. 6). Для того чтобы определить коэффициент вязкости ?_х исследуемой жидкости, необходимо знать:

?₀ -коэффициент вязкости воды,

t₀ -время протекания воды между метками а и б,

t_x -время протекания исследуемой жидкости между метками а иb,

?₀ – плотность воды,

?_х - плотность исследуемой жидкости.

Рис. 6. Капиллярный вискозиметр Оствальда (a, b,d– метки, ограничивающие уровень жидкости, с – капилляр).

Вязкость исследуемой жидкости определяется по формуле (9).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Определить коэффициент вязкости растворов с различной концентрацией.

Налейте воду в колено вискозиметра, не имеющее капилляра (рис. 6) до отметки d.

Грушей засосите жидкость через капилляр до отметки а. Убрав грушу, определите t₀ -время протекания воды между метками а и б.

Повторите измерения 4–5раз.

Проделайте пункты 1 – 3 для всех исследуемых жидкостей.

Рассчитайте коэффициенты вязкости исследуемых жидкостей по формуле (9).

Данные занесите в таблицу 1.

Какое течение жидкости называется ламинарным? Турбулентным?

Что характеризует формула Рейнольдса?

Напишите формулу Ньютона и объясните физический смысл входящих в нее величин?

Что называется коэффициентом динамической вязкости? В каких единицах он измеряется?

Какие жидкости называются ньютоновскими? От чего зависит их коэффициент вязкости?

Какие жидкости называются неньютоновскими? От чего зависит их коэффициент вязкости?

Напишите формулу Пуазейля, объясните физический смысл входящих в нее величин.

Какие методы применяются для определения вязкости жидкости?

Расскажите о реологических свойствах крови и других биологических жидкостей, о применении реологических анализов в медицине.

Агапов Б.Т. Максютин Г.В. Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. – М. Высшая школа, 1982. – С. 124-127.

Ливенцев Н.М. Курс физики. - М. Высшая школа, 1978. –Т.1.- С.26-33.

Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М. Высшая школа, 1987. - С. 169-179.

Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М. Высшая школа, 1999. - С. 148-164.

Эссаулова И.А. Блохина М.Е. Гонцов Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. – М. Высшая школа, 1987. - С. 98-102.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ МЕТОДОМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Ознакомиться с устройством и работой прибора для электрофореза.

Овладеть методом электрофореза на бумаге.

Выделить фракции ионов амидочерного красителя и определить их подвижность.

ОБОРУДОВАНИЕ: аппарат для электрофореза ПЭФ – 3, буферный раствор, краситель амидочерный, фильтровальная бумага, линейка, часы. ЗНАЧЕНИЕ МЕТОДА

Электрофорез получил широкое распространение в медико-биологических исследованиях:

В диагностике: с помощью этого метода определяют состав белков (набор белков и их количество), нуклеиновых кислот, аминокислот и других биологически важных компонентов в крови, спинномозговой жидкости, желудочном соке и др. а затем анализируют характер отклонений состава от нормы (каждое заболевание обладает характерным типом нарушений);

В терапии: используя этот метод, лекарственные вещества вводят с поверхности тела, не нарушая кожного покрова и обеспечивая равномерное распределение препарата в выбранном участке тела пациента.

Электрофорез – это направленное движение заряженных частиц (ионов) под действием внешнего электрического поля. Электрофоретическое разделение веществ на компоненты проводят в электролитах.Электролитами называются жидкости, проводящие электрический ток. Электропроводность электролитов обусловлена наличием в них свободных ионов – заряженных частиц, образующихся в результате диссоциации молекул солей, кислот, щелочей под влиянием растворителя (явление электролитической диссоциации). Ионы, сталкиваясь между собой в процессе теплового движения, могут рекомбинировать. Если в электролит поместить два электрода и соединить их с полюсами источника напряжения, то между электродами возникает электрическое поле. Под действием этого поля ионы, находящиеся в беспорядочном тепловом движении, начинают двигаться в определенных направлениях. Перемещение ионов между электродами происходит вдоль силовых линий напряженности электрического поля. Таким образом, электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение ионов под действием электрического поля.

Рассмотрим условия, определяющие движение ионов при электрофорезе. Пусть в электролит помещены два электрода на расстоянии Lдруг от друга и к ним приложено напряжениеU. Тогда напряженность электрического поля Е между электродами можно вычислить по формуле:

Согласно определению напряженности электрического поля (Е=F/q) можно найти силу, действующую на заряженную частицу со стороны данного электрического поля:

где F_эл – сила электрического поля,q– заряд иона или молекулы.

При движении в электролите ион испытывает затруднение при перемещении, так как на него оказывают влияние молекулы окружающей среды. Подобно шарику в вязкой среде он испытывает сопротивление, пропорциональное коэффициенту вязкости ?, радиусу исследуемого иона или молекулы Rи скорости движения ?. По закону Стокса величина силы трения равна:

При подаче напряжения в начальный момент времени исследуемый ион движется ускоренно. Однако в дальнейшем его движение можно рассматривать как равномерное и прямолинейное. Поэтому можно допустить, что для иона или молекулы вещества при электрофорезе выполняется следующее уравнение:

Подставив в это уравнение выражения (2) и (3), получим:

Скорость движения исследуемого иона окажется равной:

Введем обозначение b= (q/k). Эту величинуbназывают подвижностью иона. Тогда формула (6) примет вид:

Таким образом, подвижностьюиона называют величину, численно равную скорости движения иона в электролите при напряженности электрического поля Е, равной 1 В/м. На практике скорость ионов?можно определить, измерив расстояние Х, пройденное ими за времяt:

Подставив выражение (1) и (9) в формулу (8), получим:

Подвижность ионов и молекул является величиной индивидуальной, характерной для каждого конкретного иона или молекулы. Она зависит от величины заряда иона, его размеров, формы, массы, радиуса гидратной оболочки. Кроме того, подвижность определяется вязкостью среды, в которой движутся ионы. Поэтому по величине подвижности можно определить вид иона. Если же имеется смесь ионов или молекул, то можно разделить их в электрическом поле и по величине подвижности определить вид каждого из них. В качестве примера рассмотрим электрофорез ионов с различными значениями электрического заряда (рис. 1).

Рис. 1. Расположение ионов в начале (а) и после (б) электрофореза (пунктиром отмечено место старта ионов).

Группы молекул или ионов с одинаковыми или близкими параметрами, выделенные при электрофорезе (или другими методами), называются фракциями . Те молекулы или ионы, параметры которых существенно отличаются, отделить друг от друга несложно.

Рассмотрим более подробно разделение на фракции белков сыворотки крови человека. С помощью электрофореза на бумаге выделяют 5 фракций: ?₁. ?₂. ?, ? – глобулины и альбумины. Однако каждая из перечисленных фракций неоднородна и состоит из белков со слабыми различиями параметров. Чтобы достичь максимальной однородности фракций, для анализа используют усовершенствованные электролиты и носители (поддерживающие среды), на которых происходит разделение исследуемой смеси.

Например, замена электролита со щелочного буфера на раствор трис-ЭДТА дала возможность дополнительно разделить альбумины, ?₁. ?₂. ?, ? – глобулины и получить не 5. а 9 фракций. Более совершенными носителями по сравнению с фильтровальной бумагой являются крахмальный, агаровый, полиакриламидный гели, ацетат-целлюлозные материалы и т.д. Если на фильтровальной бумаге происходит отделение друг от друга молекул, отличающихся по заряду, то в полиакриламидном геле группируются молекулы, сходные не только по заряду, но и по молекулярному весу. Использование этого геля дало возможность выделить из сыворотки крови уже 14 фракций.

Так как белки сыворотки крови бесцветны, то после электрофоретического разделения электрофореграммы окрашивают соответствующими красителями. При этом интенсивность окраски фракции тем больше, чем больше содержится белка в данной фракции. Фотометрирование электрофореграмм дает возможность находить количественные соотношения этих выделенных фракций.

На рис. 2. показан пример электрофореграммы сыворотки крови и ее количественный анализ при фотометрировании – денситограмма.

Рис. 2. Электрофореграмма (а) и соответствующая ей денситограмма (б) сыворотки крови. (1– альбумин, 2– ?₁ – глобулин, 3– ?₂ –глобулин, 4 – ?– глобулин, 5– ?–глобулин. Стрелкой показано движение ионов при электрофорезе).

Другой прием расшифровки электрофореграмм заключается в разделении бумажной полоски по длине на отрезки, в каждой из которых содержится отдельная окрашенная фракция, отличающаяся от других подвижностью молекул. Каждый из отрезков помещают в отдельную пробирку с соответствующим растворителем. Через определенное время происходит элюирование (переход в раствор) содержимого данной фракции. Затем содержание белка в этих фракциях определяется на спектрофотометре или фотоэлектроколориметре. Чем выше концентрация белка в растворе, тем больше поглощение.

Разделение белков и других биологических веществ на фракции применяется в клинической практике с целью диагностики заболеваний.

данной лабораторной работе используется прибор ПЭФ – 3, применяемый в медицинской практике. Он состоит из электрофоретической камеры (рис. 3) и источника питания.

Рис. 3. Электрофоретическая камера (объяснения в тексте).

Электрофоретическая камера (рис. 3) разделена перегородкой на два отсека (1,2), в которые помещены две электролитические ванны (3,4), наполненные электролитом (5), и два электрода (6). Между электролитическими ваннами помещают полоску специальной бумаги (7), на которой происходит разделение исследуемого вещества на фракции. Перед включением камеру закрывают крышкой (8).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Заполните отсеки электрофоретической камеры раствором КОН.

Смочите полоску фильтровальной бумаги раствором КОН.

Поместите полоску в камеру так, чтобы ее концы были опущены в электролитические ванны (3, 4) с раствором.

В средней части полоски в поперечном направлении нанесите 4 точки амидочерным красителем, слегка касаясь иглой с кристаллами красителя поверхности бумаги.

Закройте камеру крышкой и соедините ее с источником питания.

(ВНИМАНИЕ! СНИМАТЬ КРЫШКУ МОЖНО ТОЛЬКО, КОГДА КАМЕРА ОТКЛЮЧЕНА ОТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ!)

Включите источник питания в сеть. Должна загореться сигнальная лампочка.

Установите указанное преподавателем напряжение U, контролируя его значение по вольтметру.

Зарегистрируйте время, в течение которого проходит разделение вещества красителя на фракции (от 15 до 30 мин).

Выключите источник питания из сети, отключите от него электроды, снимите крышку с камеры.

С помощью линейки определить на полоске бумаги расстояния:

L– отрезок, на котором происходило падение напряжения (между точками касания полоской растворов в электролитических ваннах);

Х_i – отрезки от места старта до положения исследуемой фракции на электрофореграмме после окончания времени проведения электрофореза.

По формуле (10) рассчитайте подвижность для каждой фракции. Оцените точность измерения (среднее квадратическое отклонение). Полученные данные занесите в таблицу

Что называется электролитом? Чем обусловлена электропроводность электролитов и металлов?

Что называется электрофорезом? От чего зависит скорость движения ионов в электрическом поле?

Что называется подвижностью ионов? Какими свойствами иона определяется его подвижность?

Выведите формулу для определения подвижности ионов.

Расскажите о принципах определения качественного и количественного состава веществ, содержащих различные группы ионов.

Для чего применяется электрофорез в медицине?

Агапов Б.Т. Максютин Г.В. Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. – М.:Высшая школа, 1982. – С. 168 – 170.

Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М. Высшая школа, 1987. – С. 342 – 343.

Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М. Высшая школа, 1999. – С. 276 – 278.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Ознакомиться с принципом действия электронного осциллографа.

Определить чувствительность пластин осциллографа.

Измерить параметры электрических сигналов.

электронный осциллограф, звуковой генератор, источник переменного напряжения.

ЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ

Электронный осциллограф – это измерительное устройство для визуального наблюдения функциональной зависимости двух величин, преобразованных в электрический сигнал. Электронный осциллограф широко используется для наблюдения зависимости переменной величины от времени, анализа быстропротекающих процессов и т.д. Изучение электронного осциллографа позволяет понять принципы работы большого спектра электронно-лучевых приборов, применяемых в медицине. К ним относятся:

приборы, представляющие информацию в простейшей форме – в виде кривых (электрокардиоскоп, эхо-энцефалоскоп и др.),

аппараты с микропроцессорной техникой, которые отражают на дисплеях данные в виде текста, численных значений (например, указание диагноза при машинной диагностике), а также изображения внутренних органов и структур (УЗИ, компьютерная томография);

телевизионные устройства, мониторы, представляющие изображения объектов на экране телевизора, облегчая анализ картины при:

изучении объектов под микроскопом,

исследовании радужной оболочки глаза в иридодиагностике,

оценке изображения внутренних тканей и органов, полученного с помощью волоконной оптики (например, при фиброгастроскопии) и т.д.

Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка, генератор развертки, блок синхронизации, усилители вертикального (Y- усилитель) и горизонтального (X- усилитель) каналов отклонения, блок питания (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема электронного осциллографа.

Электронно-лучевая трубка (главная часть электронного осциллографа, рис. 2) представляет собой стеклянный баллон, в котором создан вакуум. На торец его расширенной части, являющейся экраном (Э), нанесен слой вещества, светящегося при бомбардировке электронами (катодолюминесценция), чаще всего это сульфид цинка и кадмия, излучающие зеленый свет. Совокупность электродов, позволяющая получить сфокусированный пучок электронов, называется электронной пушкой. Сюда относятся:

катод (К), испускающий при нагревании электроны (термоэлектронная эмиссия);

управляющий электрод (УЭ, модулятор), имеющий отрицательное (несколько десятков вольт) относительно катода напряжение (изменяя напряжение на УЭ, можно управлять числом электронов, выходящих из модулятора, и таким образом регулировать яркость изображения);

аноды A1 иA2, выполненные в виде полых металлических цилиндров (имеют высокий положительный потенциал относительно катодаA1 - порядка нескольких сотен вольт, аA2 – несколько тысяч вольт). Меняя напряжение наA1, можно фокусировать (сжимать) электронный пучок. Второй анодA2 - ускоряющий.

Рис. 2. Электронно-лучевая трубка (пояснения в тексте).

Таким образом, электронная пушка создает узкий направленный поток электронов – электронный луч. На пути электронного луча стоят две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин: вертикально отклоняющие (ПY) и горизонтально отклоняющие (ПX). Если на какую-либо пару пластин подать напряжение, то между пластинами образуется электрическое поле, которое отклоняет электронный луч. Пластины ПYотклоняют луч в вертикальной плоскости, пластины ПX– в горизонтальной.

Электроны, попавшие на экран (Э), необходимо отвести, чтобы экран не получил отрицательный потенциал, тормозящий полет последующих электронов. Для этого на внутреннюю часть боковой поверхности трубки наносится проводящий графитовый слой (A3), имеющий небольшой положительный потенциал относительно экрана.

Сфокусированный пучок электронов на экране изображается светящейся точкой. Если на вертикально отклоняющие пластины ПYподать переменное напряжение, например синусоидальное, то на экране возникает вертикальная прямая (электронный луч под действием этого напряжения будет совершать колебания в вертикальной плоскости в такт исследуемому напряжению). Для развертки изображения исследуемого сигнала во времени нужно на горизонтально отклоняющие пластины ПXподать напряжение, линейно зависящее от времени. Причем электронный луч, пройдя постепенно по горизонтали путь от одного края экрана до другого, должен быстро возвратиться в первоначальное положение, повторив свою траекторию на экране. Такому условию удовлетворяет пилообразное напряжение (рис. 3), которое подается на горизонтально отклоняющие пластины отгенератора развертки.

При изучении периодических процессов применяется непрерывная развертка.

При изучении непериодических процессов применяется однократная (ждущая ) развертка – электронный луч “прописывает” на экране только одну строчку, а новую строчку может записать лишь после специального сигнала, запускающего генератор развертки.

Рис. 3. Пилообразное напряжение генератора развертки а) и сигнал поступающий на пластины ПXб).

Часто запуск генератора развертки производится самим исследуемым сигналом.

Для получения на экране электронно-лучевой трубки устойчивого неподвижного изображения необходимо, чтобы электронный луч начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период пилообразных колебаний равен или кратен периоду исследуемых колебаний. Процесс согласования фаз называется синхронизацией развертки и осуществляется с помощью блока синхронизации, изменяющего частоту пилообразного напряжения.

Усилители горизонтального и вертикального каналов позволяют изменять напряжение, подаваемое на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. При этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлению.

Блок питания обеспечивает преобразование сетевого переменного напряжения и подачу необходимых напряжений на электроды электронно-лучевой трубки (через делитель напряжения), усилитель, генератор развертки и другие узлы осциллографа.

С помощью электронного осциллографа можно измерять величину исследуемого напряжения, т. е. использовать осциллограф в качестве вольтметра. Для этого необходимо знать чувствительность осциллографа -отклонение луча от центра экрана в миллиметрах при изменении напряжения на отклоняющих пластинах на 1 В. Так как имеются две независимые отклоняющие системы ПXи ПY, то соответственно можно указать и две чувствительностиS_X иS_Y :

где L_X ,L_Y – длины светящихся отрезков при подаче исследуемого напряжения соответственно на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины,

L_X /2 иL_Y /2 – максимальные (амплитудные) отклонения луча от центра экрана,

U_X_ЭФ иU_Y_ЭФ – величины подаваемых синусоидальных напряжений по вольтметру (эффективные значения напряжений),

и - амплитудные значения подаваемых напряжений.

Зная чувствительность Sи измерив длину светящегося отрезкаL, можно найти величину отклоняющего напряжения по формуле:

Используя осциллограф, можно определить частоту исследуемого сигнала. Для этого на пластины ПXподают напряжение известной частоты (обычно 50 Гц) от сети, а на пластины ПY– напряжение неизвестной частоты. Генератор развертки при этом необходимо выключить. Электронный луч в данном случае участвует в двух взаимно перпендикулярных колебательных движениях. При сложении двух взаимно перпендикулярных синусоидальных колебаний электронный луч будет описывать фигуры Лиссажу (рис. 4), форма которых зависит от соотношения

Рис. 4. Фигуры Лиссажу при различных соотношениях частот ?₁ ??₂ и фаз в вертикальном и горизонтальном направлениях (Y:X):

где ??₀ - разность фаз в начальный момент времениt=0.

частот, фаз и амплитуд суммируемых колебаний. Фигуры Лиссажу будут неподвижны, если подаваемые частоты относятся как целые числа 1:1, 1:2, 1:3 и т.д. (см. рис. 4).

Учитывая, что световое пятно на экране под действием переменных напряжений, подаваемых на пластины ПXи ПY, за каждый период дважды пересекает соответственно вертикальную и горизонтальную оси, соотношения частот можно определить по отношению числа точек пересечения фигуры Лиссажу с вертикалью и горизонталью:

где ?_X и?_Y – частоты подаваемых напряжений на пластины ПXи ПY,n_X иn_Y – число точек пересечения фигуры Лиссажу с горизонталью и вертикалью.

Определив соотношение частот и зная одну из них (например, ?_X =50 Гц), легко определить частоту изменений второго напряжения:

Заметьте, что вертикаль и горизонталь для определения частоты не следует проводить через узловые точки, точки внутренних пересечений фигуры Лиссажу.

Для сложения двух синусоидальных колебаний вдоль одной прямой можно использовать следующую схему (рис. 5). Выход схемы подключают обычно к пластинам ПY.

Рис. 5. Схема для сложения двух переменных напряжений, совершающихся по одной прямой. (К1, К2 – размыкающие ключи, Тр1, Тр2 – согласующие трансформаторы).

Ключи К1 и К2 служат для отключения/подключения одного из колебательных сигналов. Схема позволяет наблюдать гашение колебаний, если два колебания имеют одинаковую частоту и амплитуду, но совершают колебания в “противофазе” (то есть возрастание одного сопровождается убыванием другого и наоборот). В результате гашения U_ВЫХ уменьшается до нуля, и на экране будет видна прямая линия.

Задание 1. Подготовить электронный осциллограф к работе.

Ручки лицевой панели установите в следующие положения “Яркость”, “Фокус”, “Смещение X”, “Смещение Y” – в среднее, “Диапазон частот” генератора развертки – в нулевое положение.

Включите вилку шнура в сеть. Включите выключатель “СЕТЬ”. При этом должна загореться сигнальная лампочка.

Через 3-4 минуты (время разогрева ламп и электронно-лучевой трубки) на экране должно появиться светящееся пятно (его отсутствие говорит об отклонении луча за пределы экрана).

Ручками “Смещение X” и “Смещение Y” установите луч в центре экрана.

Отрегулируйте яркость и четкость пятна ручками “Яркость” и “Фокус”.

Задание 2. Получить развертку переменного напряжения.

Подайте переменное напряжение от блока питания на вход “Y”.

Ручкой “Усиление Y” установите длину вертикального отрезка на экране 40-60 мм.

Включите генератор развертки ручкой “Диапазон частот”, так чтобы на экране укладывалось несколько периодов.

Ручкой “Частота плавно” установите стабильное изображение.

Зарисуйте кривую, полученную на экране.

Задание 3. Определить чувствительность пластин ПXи ПY.

Ручкой “Диапазон частот” выключите генератор развертки.

На вход “Y” подавайте различные значения переменного напряжения, заданные преподавателем (3-4 значения до 15 В). При этом ручку “Усиление Y” поставьте в такое положение, чтобы при максимальном заданном напряжении отрезок не выходил за пределы экрана, и в дальнейших измерениях этого положения не изменяйте.

Для каждого значения напряжения измерьте длину светящегося отрезка L.

Такие же значения напряжений подайте на вход “X”, установив ручкой “УсилениеX” длину максимального отрезка в пределах экрана. Измерьте длины соответствующих светящихся отрезков.

В каждом опыте рассчитайте чувствительность пластин ПXи ПYпо формулам (1), (2).

Для каждой пары пластин вычислите среднее арифметическое чувствительности <S_X >,<S_Y > и среднее квадратичное отклонение?_X ,?_Y .

Данные всех измерений занесите в таблицу 1.

Задание 4. Измерить величину неизвестного напряжения.

Закройте шкалу вольтметра источника и установите на экране произвольную длину светящегося отрезка, подав неизвестное напряжение на вход “Y” (генератор развертки необходимо выключить, чувствительность пластин после задания 3 не менять).

Найдите величину неизвестного напряжения по формуле (3).

Сравните вычисленное значение U_ЭФ с показаниями вольтметра источника, открыв шкалу. Определите процент отклонения.

Задание 5. Измерить частоту неизвестного напряжения.

На вход “X” подайте эталонное переменное напряжение от блока питания (частота 50 Гц).

На вход “Y” подайте сигнал от звукового генератора.

Изменяя частоту звукового генератора, получите на экране 5 – 6 фигур Лиссажу и зарисуйте их.

По числу точек пересечения фигурами Лиссажу осей “X” и “Y” определите частоту колебаний звукового генератора по формуле (5).

Результаты измерений занесите в таблицу 2.

Укажите блоки, входящие в состав осциллографа и их назначение.

Устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки.

Как осуществляется развертка сигнала во времени на экране электронного осциллографа? При каком условии развертка сигнала неподвижна?

Как с помощью осциллографа измерить величину исследуемого сигнала?

Рассмотрите фигуры Лиссажу и проанализируйте их. Как с помощью осциллографа измерить частоту исследуемого сигнала?

Что такое чувствительность пластин осциллографа?

Где применяются электронно-лучевые приборы в медицине? Укажите основные типы.

Агапов Б.Т. Максютин Г.В. Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. – М. Высшая школа, 1982. – С. 95-100.

Ливенцев Н.М. Курс физики. - М. Высшая школа, 1978. –Т.1.- С.80-81, 135-140, 169-172.- Т.2.-С.59-61.

Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М. Высшая школа, 1987. - С. 136-138, 405-407, 497-501.

Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М. Высшая школа, 1999. - С. 108-112, 407-410.

Эссаулова И.А. Блохина М.Е. Гонцов Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. – М. Высшая школа, 1987. - С. 132-136.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛЯРИМЕТРА

Изучить принцип работы сахариметра – поляриметра.

Исследовать зависимость угла вращения плоскости поляризации от концентрации сахара в растворе.

Определить концентрацию неизвестного раствора.

поляриметр, набор кювет с растворами.

Основные направления применения поляризованного света в медико-биологических исследованиях:

определение сахара в моче (поляриметрия – сахариметрия);

при гистологических исследованиях (поляризационная микроскопия), исследуются мышечные, коллагеновые волокна (оптически анизотропные участки) без окрашивания и дополнительного воздействия на объект;

выделение лево- и правовращающих изомеров;

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Свет это электромагнитные волны с длинами от 380 до 760 нм. Отдельный квант, излучаемый атомом, можно представить в виде электромагнитной волны, представленной на рисунке 1. При воздействии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая волны, которая воздействует на электроны в атомах вещества. Поэтому вектор напряженности электрической составляющей волны называют световым вектором . Плоскость, в которой происходит изменение светового вектораЕ. называют плоскостью колебаний электромагнитной волны. Плоскость, проходящая через векторН и направление распространения электромагнитной волны, называется плоскостью поляризации.

Рис. 1. Изображение электрической Е и магнитнойH составляющих кванта света, распространяющегося вдоль оси Х.

Световой поток представляет собой совокупность поперечных электромагнитных волн, излучаемых множеством отдельных атомов. Если колебания светового вектора Е происходят в одной плоскости, то такой свет называютплоско поляризованным (илилинейно - поляризованным ) - (рис. 2б). В обычных источниках света каждый атом испускает кванты, световой вектор у которых совершает колебания в различных плоскостях. Такой свет называетсянеполяризованным или естественным (рис. 2а). Если имеется преимущественное (но не единственное) направление колебаний вектораЕ. то такой свет называется частично поляризованным (рис. 2в).

Рис. 2. Схематическое изображение изменения светового вектора Е в: а) естественном; б) плоско поляризованном; в) частично поляризованном свете.

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

При отражении от диэлектриков. При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков отраженный и преломленный лучи частично поляризуются. Если выполняется соотношение из закона Брюстера:

где i– угол падения луча,n- относительный показатель преломления диэлектрика, то отраженный луч полностью поляризуется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломленный луч поляризуется частично, и в нем преобладают колебания, параллельные плоскости падения (рис. 3).

Эффект поляризации отраженного света используют для обнаружения с воздуха или из космоса пленок нефти на поверхности воды. Поляризация света при отражении и преломлении применяется для получения поляризованного света (например, стопа Столетова).

Рис. 3. Поляризация света при отражении от диэлектрика (i– угол полной поляризации, угол Брюстера).

Двойное лучепреломление. Большое практическое значение имеет эффект поляризации света при его прохождении через среды, обладающие оптической анизотропией (зависимость оптических свойств среды от направления распространения в ней света). Оптически анизотропными являются большинство прозрачных кристаллов, например исландский шпат, кварц, турмалин. В анизотропных средах скорость света, а, следовательно, и показатель преломления различны по разным направлениям. Это объясняется тем, что вынужденные колебания электронов падающей световой волной в определенных направлениях возбуждаются легче, чем в других, и скорость результирующей волны кристалла в этих направлениях также отличается. В результате происходит двойное лучепреломление, то есть световой луч разделяется на два луча (рис. 4), которые получили названиеобыкновенного (о) инеобыкновенного (е). Для обыкновенного луча выполняются законы преломления света и его показатель преломленияn_о не зависит от направления распространения света в кристалле. Для необыкновенного луча законы преломления света не выполняются, а его показатель преломленияn_е зависит от направления распространения света в кристалле.

Рис. 4. Двойное лучепреломление при перпендикулярном падении луча естественного света на грань кристалла исландского шпата (о – обыкновенный луч, e– необыкновенный,N– оптическая ось кристалла).

Направление, вдоль которого скорости обыкновенного и необыкновенного лучей совпадают, то есть оптические свойства кристалла не отличаются, называется оптической осью кристалла. Вдоль оптической оси расщепления луча не происходит. Плоскость, проходящая через падающий луч и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью кристалла. Если показатель преломления обыкновенного луча больше, чем необыкновенного (n_о ?n_е ), то кристалл называется отрицательным, а приn_о ?n_е – положительным. Оба луча, вышедшие из двоякопреломляющего кристалла (рис. 4), полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях и, если кристалл не поглощает света, то:

где I_ест - интенсивность естественного (падающего) света, аI_о иI_е – интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно.

С точки зрения принципа Гюйгенса двойное лучепреломление объясняется тем, что в анизотропном кристалле при падении световой волны в каждой точке ее поверхности возбуждается одновременно две элементарные волны: сферическая и эллипсоидальная. В связи с этим в кристалле образуются две результирующие волны – обыкновенная и необыкновенная, имеющие различные фазовые скорости и направления распространения в кристалле.

Явление двойного лучепреломления используется для получения поляризованного света с помощью специальных устройств.

Поляроиды. Поляризационные светофильтры. Некоторые двояко преломляющие кристаллы способны по-разному поглощать обыкновенный и необыкновенный лучи. Это свойство называетсядихроизмом . а сами кристаллыдихроичными . Такие кристаллы даже при незначительной толщине (например, 1 мм для турмалина и 0,1 мм для герапатита) способны полностью поглощать обыкновенный луч. Это свойство используется при изготовлении поляроидов.

Поляроиды (поляризационные светофильтры) представляют собой прозрачную, поляризующую свет пленку, содержащую множество мелких одинаково ориентированных кристалликов (например, герапатита – сернокислого иодохинина). Проходя сквозь поляроид, естественный свет почти полностью поляризуется. При этом обыкновенный луч полностью поглощается и используется только необыкновенный луч.

Призма Николя (николь). Действие призмы Николя основано на явлении двойного лучепреломления и полного внутреннего отражения. Николь – призма из исландского шпата, состоящая из двух частей склеенных канадским бальзамом. Последний имеет показатель преломления меньше, чем исландский шпат. Обыкновенный луч (о), падая на склейку под углом больше предельного, испытывает полное внутреннее отражение и выводится за пределы призмы (рис. 5) или поглощается зачерненной нижней гранью. Луч необыкновенный (е) выходит из николя параллельно нижней грани (рис. 5). Благодаря хорошим спектральным характеристикам для исследований в поляризованном свете используется в основном призма Николя.

Рис. 5. Ход лучей в призме Николя (1 – исландский шпат; 2 – канадский бальзам; о – обыкновенный луч; е - необыкновенный).

Устройство, при помощи которого получают поляризованный свет называется поляризатором . Однако глаз не различает естественный и поляризованный свет, поэтому наряду с поляризатором в приборах применяютанализаторы . При прохождении через поляризатор и анализатор интенсивность световой волны изменяется по закону Малюса:

где I_п – интенсивность света, вышедшего из поляризатора,I_а – интенсивность света, вышедшего из анализатора,?- угол между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора. При?= 0 (плоскости поляризации поляризатора и анализатора параллельны) интенсивностьI_а – будет максимальной и равной

при «скрещенных» поляризаторе и анализаторе (? =?/2) I_а – будет равной нулю.

Таким образом, скрещенные поляризатор и анализатор не пропускают свет, но если между ними поместить оптически анизотропное вещество, то поле зрения просветляется. Это объясняется тем, что поляризованный свет в анизотропном веществе раздваивается на два луча, приобретающие в его толще определенную разность хода. Анализатор выбирает из обоих лучей колебания одного направления. Пройдя анализатор и будучи когерентными, они интерферируют, усиливая или ослабляя друг друга, в зависимости от разности хода. При наблюдении в белом свете поле зрения будет цветным.

Описанное явление лежит в основе работы поляризационного микроскопа . предназначенного для исследований оптически анизотропных объектов. Для этого обычный микроскоп снабжается двумя николями – поляризатором и анализатором, расположенными по обе стороны от предметного столика и предварительно настроенными на темноту. При введении препарата поле зрения просветляется в тех местах, где он обладает анизотропией. Если препарат неоднороден (по толщине или ориентации оптических осей), то разность хода для разных его участков будет отличаться, и интерференционная картина позволит выявить структуру препарата. В белом свете поворот предметного столика с препаратом сопровождается сменой цветов, что тоже используется для определения структуры объектов. Поляризационный микроскоп позволяет изучить процесс деления клетки, строение хромосом. При помощи поляризационного микроскопа проводятся гистологические исследования структур мышечных, коллагеновых и нервных волокон, обладающих оптической анизотропией.

Поляризованный свет также используется для исследования оптически активных веществ. Оптически активными называются вещества, способные вращать плоскость поляризации света. Оптической активностью обладают кристаллы (кварц, киноварь), жидкости (скипидар), растворы (водные растворы сахара, яблочной кислоты, спиртовой раствор камфары). Оптическую активность проявляют многие природные соединения: белки, сахара, углеводы, гормоны, эфирные масла.

При прохождении через такие вещества поляризованного света плоскость его колебаний постепенно поворачивается вокруг оси светового пучка на угол, пропорциональный толщине слоя вещества. Различают право- и левовращающие вещества, у которых вращение плоскости поляризации идет по часовой стрелке или – против, соответственно.

У растворов оптически активных веществ угол вращения плоскости поляризации монохроматического света зависит от природы вещества, температуры, концентрации С и толщины слоя L:

где ?- удельное вращение, зависящее от природы растворенного вещества; выбора растворителя; длины световой волны и температуры. Численно?равно углу, на который поворачивается плоскость поляризации монохроматического светового луча с длиной волны?=589 нм, прошедшего через раствор единичной концентрации (1г/100 мл), находящийся в кювете единичной длины (1 дм).

Если падающий свет не является монохроматическим, то угол вращения плоскости поляризации для данного вещества зависит от длины волны ?по закону Био:

где а – постоянная, зависящая от природы вещества. Метод исследования, использующий оптическую активность вещества, называют поляриметрией. Для того, чтобы устранить влияние световой волны на угол вращения, исследования проводят в монохроматическом свете (применяют светофильтры).

Если использовать белый свет, то анализатор при повороте будет поочередно пропускать лучи различной длины волны, и поле зрения будет менять цвет. Это явление называется дисперсией оптической активности (вращательной дисперсией) и используется при определении структуры веществ, характера внутримолекулярного и межмолекулярного взаимодействия, а сам метод называется спектрополяриметрией и в медицине используется при изучении биополимеров.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для определения концентрации оптически активных веществ в монохроматическом свете используют поляриметры. Поляриметр, позволяющий определять концентрацию сахара в растворе, называется сахариметром. Оптическая схема поляриметра – сахариметра представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Оптическая схема поляриметра (1- источник света, 2 - светофильтр, 3 - объектив, 4 –поляризатор, 5 - кварцевая пластинка, 6 - кювета, 7 - анализатор, 8 - окуляр).

Кварцевая пластинка имеет прямоугольную форму и перекрывает лишь среднюю часть поля зрения. Поэтому в поле зрения видны ее границы и оно разделено на три части (рис. 7). При вращении анализатора две наружные части поля зрения затемняются (рис. 7а) и снова освещаются (рис. 7в) всегда одинаково и одновременно. Средняя часть поля зрения меняет свою освещенность в обратном направлении. При определенном положении анализатора (которое нужно найти при поляриметрии) средняя часть поля зрения освещена одинаково с крайними частями, при этом линии раздела исчезают (рис. 7б).

Рис. 7. Поле зрения поляриметра.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Определить значение нулевого отсчета.

Без кюветы вращением фрикционной головки или кольца получите резкое изображение линий раздела поля зрения (рис. 7а).

Поворотом кольца добейтесь получения одинаковой освещенности всех трех частей поля зрения (рис. 7б).

Снимите показания по шкале (рис. 8), на которой положение нуля нониуса показывает целое число градусов; деление нониуса, совпадающее с делением шкалы, указывает десятые доли градуса (рис. 8).

Повторите измерения 4 – 5 раз, данные занесите в таблицу. Найдите среднее значение .

Рис. 8. Отсчет показаний при помощи нониуса (а – угол равен 0 0. б – угол равен 2,5 0 ).

Задание 2. Определить зависимость угла поворота плоскости поляризации от концентрации раствора.

Поместите в прибор кювету с исследуемым раствором (предварительно убедившись, что в ней нет пузырьков воздуха) и выполните измерения согласно пунктам 1) и 2) задания 1. Сделайте по 4 –5 измерений для каждого раствора, результаты измерений занесите в таблицу.

Рассчитайте средние значения угла поворота для каждого раствора, занесите в таблицу.

С учетом нулевого отсчета вычислите абсолютную величину угла поворота плоскости поляризациипо формуле:

Руководства, Инструкции, Бланки

Поиск

Новые файлы

Руководство К Лабораторным Работам По Медицинской И Биологической Физике

Описание

Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике

Другие статьи

Скачать бесплатно Козлов Г

Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике

Руководства, Инструкции, Бланки

Поиск

Новые файлы

Руководство К Лабораторным Работам По Медицинской И Биологической Физике

Описание

Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике

Похожие файлы

Другие статьи

Скачать бесплатно Козлов Г

Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике