(Волоконная оптика) Практическое применение явления полного отражения!

Применение полного отражения света 1. При образовании радуги 2. Для направления света по изогнотому пути а) Волоконно – оптические линии связи (ВОЛС) б) Оптико – волоконные светильники в) Для исследования внутренних органов человека (эндоскопы)

Схема образования радуги 1) сферическая капля, 2) внутреннее отражение, 3) первичная радуга, 4) преломление, 5) вторичная радуга, 6) входящий луч света, 7) ход лучей при формировании первичной радуги, 8) ход лучей при формировании вторичной радуги, 9) наблюдатель, 10-12) область формирования радуги.

Для направления света по изогно - тому пути применяются оптические волокона, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей. Из оптических волокон изготавливают кабели для волоконно – оптической связи Волоконно – оптическая связь применяется для телефонной связи и высокоскоростного Интернета

Оптико - волоконный кабель

Оптико – волоконный кабель

Преимущества ВОЛС Волоконно-оптические линии обладают рядом преимуществ перед проводными (медными) и радиорелейными системами связи: Малое затухание сигнала позволяет передавать информацию на значительно большее расстояние без использования усилителей. Высокая пропускная способность оптического волокна позволяет передавать информацию на высокой скорости, недостижимой для других систем связи. Высокая надёжность оптической среды: оптические волокна не окисляются, не намокают, не подвержены слабому электромагнитному воздействию. Информационная безопасность - информация по оптическому волокну передаётся «из точки в точку». Подключиться к волокну и считать передаваемую информацию, не повредив его, невозможно. Высокая защищённость от межволоконных влияний. Излучение в одном волокне совершенно не влияет на сигнал в соседнем волокне. Пожаро - и взрывобезопасность при измерении физических и химических параметров Малые габариты и масса Недостатки ВОЛС Относительная хрупкость оптического волокна. При сильном изгибании кабеля возможна поломка волокон или их замутнение из-за возникновения микротрещин. Сложная технология изготовления как самого волокна, так и компонентов ВОЛС. Сложность преобразования сигнала Относительная дороговизна оптического оконечного оборудования Замутнение волокна с течением времени вследствие старения.

Оптико – волоконная подсветка

Эндоскоп (от греч. ένδον - внутри и греч. σκοπέω - осмотр) - группа оптических приборов различного назначения. Различают медицинские и технические эндоскопы. Технические эндоскопы используются для осмотра труднодоступных полостей машин и оборудования при техническом обслуживании и оценке работоспособности (лопатки турбин, цилиндры двигателей внутреннего сгорания, оценка состояния трубопроводов и т. д.), кроме того, технические эндоскопы используются в системах безопасности для досмотра скрытых полостей (в том числе для досмотра бензобаков на таможне Медицинские эндоскопы используются в медицине для исследования и лечения полых внутренних органов человека (пищевод, желудок, бронхи, мочеиспускательный канал, мочевой пузырь, женские репродуктивные органы, почки, органы слуха), а также брюшной и других полостей тела.

Спасибо за внимание!)

При некотором угле падения света ${\alpha }_{pad}={\alpha }_{pred}$, который называют предельным углом , угол преломления равен $\frac{\pi }{2},\ $при этом преломленный луч скользит по поверхности раздела сред, следовательно, преломленный луч отсутствует. Тогда из закона преломления можно записать, что:

Рисунок 1.

В случае полного отражения уравнение:

не имеет решения в области действительных значений угла преломления (${\alpha }_{pr}$). В таком случае $cos{(\alpha }_{pr})$ чисто мнимая величина. Если обратиться к Формулам Френеля, то их удобно представить в виде:

где угол падения обозначен $\alpha $ (для краткости написания), $n$ -- показатель преломления среды, где свет распространяется.

Из формул Френеля видно, что модули $\left|E_{otr\bot }\right|=\left|E_{otr\bot }\right|$, $\left|E_{otr//}\right|=\left|E_{otr//}\right|$, что означает, что отражение является «полным».

Замечание 1

Надо отметить, что неоднородная волна во второй среде не исчезает. Так, если $\alpha ={\alpha }_0={arcsin \left(n\right),\ то\ }$ $E_{pr\bot }=2E_{pr\bot }.$ Нарушения закона сохранения энергии в данном случае нет. Так как формулы Френеля справедливы для монохроматического поля, то есть к установившемуся процессу. В таком случае закон сохранения энергии требует, чтобы среднее за период изменение энергии во второй среде было равно нулю. Волна и соответствующая доля энергии проникает через границу раздела во вторую среду на небольшую глубину порядка длины волны и движется в ней параллельно границе раздела с фазовой скоростью, которая меньше фазовой скорости волны во второй среде. Он возвращается в первую среду в точке, которая смещена относительно точки входа.

Проникновение волны во вторую среду можно наблюдать в эксперименте. Интенсивность световой волны во второй среде заметна только на расстояниях меньших длины волны. Около поверхности раздела, на которую падает волна света, которая испытывает полное отражение, на стороне второй среды можно видеть свечение тонкого слоя, если во второй среде есть флуоресцирующее вещество.

Полное отражение вызывает возникновение миражей, когда поверхность земли имеет высокую температуру. Так, полное отражение света, которое идет от облаков приводит к появлению впечатления, что на поверхности нагретого асфальта находятся лужи.

При обычном отражении отношения $\frac{E_{otr\bot }}{E_{pad\bot }}$ и $\frac{E_{otr//}}{E_{pad//}}$ всегда вещественны. При полном отражении они комплексны. Это значит, что в таком случае фаза волны терпит скачок, при этом он отличен от нуля или $\pi $. Если волна поляризована перпендикулярно плоскости падения, то можно записать:

где ${\delta }_{\bot }$ - искомый скачок фазы. Приравняем вещественные и мнимые части, имеем:

Из выражений (5) получаем:

Соответственно, для волны, которая поляризована в плоскости падения можно получить:

Скачки фаз ${\delta }_{//}$ и ${\delta }_{\bot }$ не одинаковы. Отраженная волна будет поляризована эллиптически.

Применение полного отражения

Допустим, что две одинаковые среды разделены тонким воздушным промежутком. На него падает световая волна под углом, который больше, чем предельный. Может сложиться так, что она проникнет в воздушный промежуток как неоднородная волна. Если толщина зазора мала, то данная волна достигнет второй границы вещества и при этом будет не очень ослабленной. Перейдя из воздушного промежутка в вещество, волна превратится снова в однородную. Такой опыт был проведен еще Ньютоном. Ученый прижимал к гипотенузной грани прямоугольной призмы другую призму, которая со шлифована сферически. При этом свет проходил во вторую призму не только там, где они соприкасаются, но и в небольшом кольце вокруг контакта, в месте, где толщина зазора сравнима с длинной волны. Если наблюдения проводились в белом свете, то край кольца имел красноватую окраску. Так и должно быть, так как глубина проникновения пропорциональна длине волны (для красных лучей она больше, чем для синих). Изменяя толщину промежутка, можно изменять интенсивность проходящего света. Это явление легло в основу светового телефона, который был запатентован фирмой Цейсс. В этом устройстве в качестве одной из сред выступает прозрачная мембрана, которая совершает колебания под действием звука, падающего на нее. Свет, который проходит сквозь воздушный промежуток, изменяет интенсивность в такт с изменениями силы звука. Попадая на фотоэлемент, он порождает переменный ток, который меняется в соответствии с изменениями силы звука. Полученный ток усиливается и используется далее.

Явления проникновения волн сквозь тонкие промежутки не специфичны для оптики. Это возможно для волны любой природы, если фазовая скорость в промежутке выше, чем фазовая скорость в окружающей среде. Важное значение данное явление имеет в ядерной и атомной физике.

Явление полного внутреннего отражения используют для изменения направления распространения света. С этой целью используют призмы.

Пример 1

Задание: Приведите пример явления полного отражения, которое часто встречается.

Решение:

Можно привести такой пример. Если шоссейная дорога сильно нагрета, то температура воздуха максимальна около поверхности асфальта и убывает при увеличении расстояния от дороги. Значит, показатель преломления воздуха минимален у поверхности и растет при увеличении расстояния. Как результат этого, лучи, имеющие небольшой угол относительно поверхности шоссе терпят полное отражение. Если сконцентрировать свое внимание, при движении в автомобиле, на подходящем участке поверхности шоссе, то можно увидеть довольно далеко едущую впереди машину в перевернутом виде.

Пример 2

Задание: Каков угол Брюстера для пучка света, который падает на поверхность кристалла, если предельный угол полного отражения для данного пучка на границе раздела воздух -- кристалл равен 400?

Решение:

В качестве основы для решения задачи используем закон преломления в виде:

\[\frac{{sin (\alpha)\ }}{{sin (\gamma)\ }}=\frac{1}{n}\left(2.1\right),\]

где $\alpha $ -- угол падения пучка света, по условию задачи он равен предельному углу:

$\alpha ={\alpha }_{pred}$, $\gamma $ -- угол преломления, если угол падения равен предельному углу, тогда положим $\gamma =\frac{\pi }{2}$, свет первоначально распространялся в воздухе, следовательно, $n_v=1$.

По закону Брюстера имеем:

\[{tg(\alpha }_b)=\frac{n}{n_v}=n\left(2.2\right).\]

Из выражения (2.1) имеем:

\

Подставим правую часть выражения (2.3) в формулу (2.2), выразим искомый угол:

\[{\alpha }_b=arctg\left(\frac{1}{{sin \left({\alpha }_{pred}\right)\ }}\right).\]

Проведем вычисления:

\[{\alpha }_b=arctg\left(\frac{1}{{sin \left(40{}^\circ \right)\ }}\right)\approx 57{}^\circ .\]

Ответ: ${\alpha }_b=57{}^\circ .$

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

Обучающие:

• Учащиеся должны повторить и обобщить знания полученные при изучении темы “Отражение и преломление света”: явление прямолинейности распространения света в однородной среде, закон отражения, закон преломления, закон полного отражения.
• Рассмотреть применение законов в науке, технике, оптических приборах, медицине, на транспорте, в строительстве, в быту, окружающем нас мире,
• Уметь применять полученные знания при решении качественных, расчетных и экспериментальных задач;

Развивающие:

1. расширить кругозор учащихся, развитие логического мышления, интеллекта;
2. уметь проводить сравнения, делать вводы;
3. развить монологическую речь, уметь выступать перед аудиторией.
4. научить добывать информацию из дополнительной литературы и из Интернета, анализировать её.

Воспитательные:

• прививать интерес к предмету физика;
• научить самостоятельности, ответственности, уверенности;
• создать ситуацию успеха и дружеской поддержки в процессе урока.

Оборудование и наглядные пособия:

• Прибор по геометрической оптике, зеркала, призмы, катафот, бинокль, оптоволокно, приборы для опыта.
• Компьютер, видеопроектор, экран, презентация “Практическое применение законов отражения и преломления света”

План урока.

I. Тема и цель урока (2 минуты)

II. Повторение (фронтальный опрос) – 4 минут

III. Применение прямолинейности распространения света. Задача (у доски). - 5 минут

IV. Применение закона отражения света. - 4 минуты

V. Применение закона преломления света:

1) Опыт - 4 минуты

2) Задача - 5 минут

VI Применение полного внутреннего отражения света:

а) Оптические приборы – 4 минуты.

в) Волоконная оптика – 4 минуты.

VII Миражи - 4 минуты

VIII.Самостоятельная работа – 7 мин.

IХ Подведение итогов урока. Домашнее задание – 2 мин.

Итого: 45 мин

Ход урока

I. Тема урока, цель, задачи, содержание. (Слайд1-2)

Эпиграф. (Слайд 3)

Чудный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой,
В нем источник бесконечный
Наслажденье красотой:
Небо, солнце, звезд сиянье,
Море в блеске голубом –
Всю картину мирозданья
Мы лишь в свете познаем.
И.А.Бунин

II. Повторение

Преподаватель:

а) Геометрическая оптика. (Слайды 4-7)

Свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Или в однородной среде световые лучи представляют собой прямые линии

Линия, вдоль которой распространяется световая энергия, называется лучом. Прямолинейность распространения света со скоростью 300000км/с используется в геометрической оптике.

Пример: Применяется при проверке по лучу прямолинейности отстроганной доски.

Возможность видеть несветящиеся предметы связана с тем, что всякое тело частично отражает, а частично поглощает падающий на него свет. (Луна). Среда, в которой скорость распространения света меньше, является оптически более плотной средой. Преломление света - это изменение направления луча света при пересечении границы между средами. Преломление света объясняется различием в скоростях распространения света при переходе из одной среды в другую

б) Демонстрация явления отражения и преломления на приборе “Оптический диск”

в) Вопросы для повторения. (Слайд 8)

III. Применение прямолинейности распространения света. Задача (у доски).

а) Образование тени и полутени. (Слайд 9).

Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени. При малых размерах источника или если источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь получается только тень. При больших размерах источника света или, если источник находится близко к предмету, создаются нерезкие тени (тень и полутень).

б) Освещение Луны. (Слайд10).

Луна по своему пути вокруг Земли освещается Солнцем, она сама не светится.

1. новолуние, 3. первая четверть, 5. полнолуние, 7. последняя четверть.

в) Применение прямолинейности распространения света в строительстве, в строительстве дорог и мостов. (Слайды 11-14)

г) Задача №1352(Д) (учащийся у доски). Длина тени от Останкинской телевизионной башни, освещенной солнцем, в некоторый момент времени оказалась равной 600 м; длина тени от человека высотой 1,75 м в тот же момент времени была равна 2 м. Какова высота башни? (Слайд 15-16)

Вывод: По этому принципу можно определить высоту недоступного предмета: высоту дома; высоту отвесной скалы; высоту высокого дерева.

д) Вопросы для повторения. (Слайд 17)

IV. Применение закона отражения света. (Слайды 18-21).

а) Зеркала(Сообщение учащегося).

Свет, встречная на своем пути какой нибудь объект, отражается от его поверхности. Если она не ровная, то отражение происходит во многих направлениях и свет рассеивается.Когда же поверхность гладкая, то все лучи отходят от нее параллельно друг другу и получается зеркальное отражение.Так свет обычно отражается от свободной поверхности покоящихся жидкостей и от зеркал. Форма у зеркал может быть разная. Они бывают плоскими, сферическими, циоиндрическими, пароболическими и т.д. Свет, исходящий из обьекта, распростроняется в виде лучей, которые, падая на зеркало, отражаются. Если они вновь после этого соберутся в какой-нибудь точке,то говорят, что в ней возникло действие изображние объекта. Если же лучи остаются разьединенными, но в какой-то точке сходятся их продолжения, то нам кажется, что лучи исходят их неё именно там находится объект. Это так называемое мнимое изображение,которое создается в воображении наблюдения. С помощью вогнутых зеркал можно проецировать изображениена какую-нибудь поверхностьили собирать в одной точке слабый свет, приходящий от удаленного объекта,как это бывает при наблюдении звезд с помощью телескопа-рефлектора. В обоих случаях изображение получается действительным, другие зеркала используются для того, чтобы видить в них объект в натуральную величину (обычные плоские зеркала), увеличенным (такие зеркальца носят в дамской сумочке) или уменьшенным(зеркала заднего вида в автомобилях). Получаемые при этом изображения являются мнимыми(виртуальными). А с помощью кривых, несферических зеркал можно делать изображение искаженным.

V. Применение закона преломления света. (Слайды 22-23).

а) Ход лучей в стеклянной пластинке.

б) Ход лучей в треугольной призме. Построить и объяснить. (Учащийся у доски)

в) Опыт: Применение закона преломления. (Сообщение учащегося.) (Слайды 24)

Неопытные купальщики нередко подвергаются большой опасности только потому, что забывают об одном любопытном следствии закона преломления света. Они не знают, что преломление словно поднимает все погруженные в воду предметы выше истинного их положения. Дно пруда, речки, водоема представляется глазу приподнятым почти на третью часть глубины. Особенно важно знать это детям и вообще людям невысокого роста, для которых ошибка в определении глубины может оказаться роковой. Причина преломление световых лучей.

Опыт: На дно, стоящей перед учащимися чашки положить монетку так. чтобы она не была видна учащемуся. Попросить его не поворачивая головы, налить в чашку воды, то монетка “всплывёт”. Если из чашки спринцовкой удалить воду, то дно с монеткой опять “опустится”. Объяснить опыт. Провести опыт каждому дома.

г) Задача. Истинная глубина участка водоёма равна 2 метра. Какова кажущая глубина для человека, смотрящего на дно под углом 60°к поверхности воды. Показатель преломления воды равен 1,33. (Слайды 25-26).

д) Вопросы для повторения. (Слайд 27-28).

VI. Полное внутреннее отражение. Оптические приборы

а) Полное внутреннее отражение. Оптические приборы. (Сообщение учащегося)

(Слайды 29-35)

Полное внутренне отражение происходит в том случае, когда свет падает на границу между оптически более плотной средой и менее плотной средой. Полное внутреннее отражение находит применение во многих оптических приборах. Предельный угол для стекла 35°-40° в зависимости от показателя преломления данного сорта стекла. Поэтому в 45° призмах свет будет испытывать полное внутреннее отражение.

Вопрос. Почему оборотные и поворотные призмы лучше применять, чем зеркала?

а) Они отражают почти 100 света, так как самые лучшие зеркала - менее 100. Изображение получается более ярким.

в) Их свойства остаются неизменными, так как металлические зеркала тускнеют с течением времени из-за окисления металла.

Применение. Поворотные призмы применяются в перископах. Оборотные призмы – в биноклях. На транспорте применяется угловой отражатель – катафот, его укрепляют сзади – красный, впереди – белый, на спицах колес велосипеда – оранжевый. Световозвращатель или оптическое устройство, отражающее свет обратно к освещающему его источнику независимо от угла падения света на поверхность. Ими оборудуются все транспортные средства и опасные участки дорог. Изготавливается из стекла или пластмасс.

б) Вопросы для повторения. (Слайд 36).

в) Волоконная оптика. (Сообщение учащегося). (Слайды 37-42).

На полном внутреннем отражении света основана волоконная оптика. Волокна бывают стеклянные и пластиковые. Диаметр их очень маленький- несколько микрометров. Пучок этих тонких волокон называется световодом, свет передвигается по нему почти без потерь, даже если предать световоду сложную форму. Это используется в декоративных светильниках, при подсветки струй в фонтанах.

Световоды находят применение для передачи сигналов в телефонной и других видах связи. Сигнал представляет собой модулированный световой пучок и передается с меньшими потерями, чем при передаче электрического сигнала по медным проводам.

Световоды применяются в медицине – передача четкого изображения. Вводя через пищевод “эндоскоп” врач получает возможность обследовать стенки желудка. По одним волокнам посылается свет для освещения желудка, по другим идёт отражённый свет. Чем больше волокон, и чем они тоньше, тем лучше получается изображение. Эндоскоп полезен при обследовании желудка и других труднодоступных мест, при подготовки больного к операции или при поиски травм и повреждений без хирургического вмешательства.

В световоде происходит полное отражение света от внутренней поверхности стеклянного или прозрачного пластикового волокна. На каждом из торцов световода имеются линзы. На торце обращенном к объекту. линза превращает исходящие из него лучи в параллельный пучок. На торце, обращенном к наблюдателю, имеется зрительная труба, позволяющая рассмотреть изображение.

VII. Миражи. (Учащийся рассказывает, дополняет учитель) (Слайды 43-46).

Французская армия Наполеона в 18 веке встретилась в Египте с миражом. Солдаты увидели впереди “озеро с деревьями”. Мираж - французское слово, означает “отражать как в зеркале”. Солнечные лучи проходят через воздушное зеркало, порождают “чудеса”. Если земля хорошо нагрета, то нижний слой воздуха значительно теплее, чем слои расположенные выше.

Мираж - оптическое явление в ясной, спокойной атмосфере при различной нагретости отдельных ее слоев, состоящее в том, что невидимые, находящиеся за горизонтом предметы отражаются в преломленной форме в воздухе.

Поэтому солнечные лучи, пронизывая воздушную толщу, никогда не идут прямолинейно, а искривляются. Это явление называется рефракцией.

Мираж многолик. Он может быть простым, сложным, верхним, нижним, боковым.

Когда нижние слои воздуха хорошо нагреты, то наблюдается нижний мираж – мнимое перевернутое изображение предметов. Так чаще всего бывает в степях и пустынях. Этот вид миража можно увидеть в Средней Азии, Казахстане, Поволжье.

Если приземные слои воздуха гораздо холоднее, чем верхние, то возникает верхний мираж - изображение отрывается от земли и повисает в воздухе. Предметы кажутся ближе и выше, чем на самом деле. Этот вид миража наблюдается ранним утром, когда солнечные лучи еще не успели согреть Землю.

На поверхности моря в жаркие дни моряки видят корабли, повисшие в воздухе, и даже предметы далеко за горизонтом.

VIII. Самостоятельная работа. Тест – 5 мин. (Слайды 47-53).

1. Угол между падающем лучом и плоскостью зеркала равен 30°. Чему равен угол отражения?

2. Почему для транспорта световым сигналом опасности является красный цвет?

а) ассоциируется с цветом крови;

б) лучше бросается в глаза;

в) имеет самый малый показатель преломления;

г) имеет наименьшее рассеивание в воздухе

3. Почему рабочие на стройке носят каски оранжевого цвета?

а) оранжевый цвет хорошо заметен на расстоянии;

б) мало изменяется во время непогоды;

в) имеет наименьшее рассеивание света;

г) согласно требованию безопасности труда.

4. Чем объяснить игру света в драгоценных камнях?

а) их грани тщательно шлифуются;

б) большим показателем преломления;

в) камень имеет форму правильного многогранника;

г) правильным расположением драгоценного камня по отношению к световым лучам.

5. Как изменится угол между падающим на плоское зеркало и отраженным лучами, если угол падения увеличить на 15°?

а) увеличится на 30°;

б) уменьшится на 30°;

в) увеличится на 15°;

г) увеличится на 15°;

6. Какова скорость света в алмазе, если показатель преломления равен 2,4?

а) примерно 2000000 км/с;

б) примерно 125000 км/с;

в) скорость света не зависит от среды, т.е. 300000 км/с;

г) 720000 км/с.

IХ. Подведение итогов урока. Домашнее задание. (Слайды 54-56).

Анализ и оценка деятельности учащихся на уроке. Учащиеся обсуждают вместе с учителем результативность урока, оценивают свою деятельность.

1. Сколько правильных ответов вы получили?

3. Узнали ли вы что-то новое?

4. Лучший докладчик.

2) Проделать опыт с монеткой дома.

Литература

1. Городецкий Д.Н. Проверочные работы по физике “Высшая школа”1987
2. Демкович В.П. Сборник задач по физике “Просвещение” 2004
3. Джанколе Д. Физика. Издательство “Мир” 1990
4. Перельман А.И. Занимательная физика Издательство “Наука” 1965
5. Лансберг Г.Д. Элементарный учебник физики Издательство “Наука” 1972
6. Интернет-ресурсы

7. Ультразвук. Получение и регистрация ультразвука на основе обратного и прямого пьезоэлектрического эффекта.

8. Взаимодействие ультразвука различной частоты и интенсивности с веществом. Применение ультразвука в медицине.

Электромагнитные колебания и волны.

1-Е уравнение Максвелла:φH1dl = Iпр + Iсм 2-е уравнение Максвелла: φE1dl = -

4.Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине

5.Биологическое действие электромагнитного излучения на организм. Электротравматизм.

6.Диатермия. Увч-терапия. Индуктотермия. Микроволновая терапия.

7.Глубина проникновения неионизирующих электромагнитных излучений в биологическую среду. Ее зависимость от частоты. Методы защиты от электромагнитных излучений.

Медицинская оптика

1. Физическая природа света. Волновые свойства света. Длина световой волны. Физические и психофизические характеристики света.

2. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика, ее применение в медицине.

5. Разрешающая способность и предел разрешения микроскопа. Пути повышения разрешающей способности.

6. Специальные методы микроскопии. Иммерсионный микроскоп. Микроскоп темного поля. Поляризационный микроскоп.

Квантовая физика.

2. Линейчатый спектр излучения атомов. Его объяснение в теории н.Бора.

3. Волновые свойства частиц. Гипотеза де-Бройля, ее экспериментальное обоснование.

4. Электронный микроскоп: принцип действия; разрешающая способность, применение в медицинских исследованиях.

5. Квантово-механическое объяснение структуры атомных и молекулярных спектров.

6. Люминесценция, ее виды. Фотолюминесценция. Закон Стокса. Хемилюминесценция.

7. Применение люминесценции в медико-биологических исследованиях.

8. Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Фотодиод. Фотоэлектронный умножитель.

9. Свойства лазерного излучения. Их связь с квантовой структурой излучения.

10. Когерентное излучение. Принципы получения и восстановления голографических изображений.

11. Принцип работы гелий-неонового лазера. Инверсная населенность энергетических уровней. Возникновение и развитие фотонных лавин.

12. Применение лазеров в медицине.

13. Электронный парамагнитный резонанс. Эпр в медицине.

14. Ядерный магнитный резонанс. Использование ямр в медицине.

Ионизирующие излучения

1. Рентгеновское излучение, его спектр. Тормозное и характеристическое излучение, их природа.

3. Применение рентгеновского излучения в диагностике. Рентгеноскопия. Рентгенография. Флюорография. Компьютерная томография.

4. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом: фотопоглощение, когерентное рассеяние, комптоновское рассеяние, образование пар. Вероятности этих процессов.

5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Единицы активности радиоактивных препаратов.

6 Закон ослабления ионизирующих излучений. Коэффициент линейного ослабления. Толщина слоя половинного ослабления. Массовый коэффициент ослабления.

8. Получение и применение радиоактивных препаратов для диагностики и лечения.

9. Методы регистрации ионизирующего излучений: счетчик Гейгера, сцинтилляционный датчик, ионизационная камера.

10. Дозиметрия. Понятие о поглощенной, экспозиционной и эквивалентной дозе и их мощности. Единицы их измерения. Внесистемная единица – рентген.

Биомеханика.

1. Второй закон Ньютона. Защита организма от избыточных динамических нагрузок и травматизма.

2. Виды деформации. Закон Гука. Коэффициент жесткости. Модуль упругости. Свойства костных тканей.

3. Мышечные ткани. Строение и функции мышечного волокна. Преобразование энергии при мышечном сокращении. Кпд мышечного сокращения.

4. Изотонический режим работы мышц. Статическая работа мышц.

5. Общая характеристика системы кровообращения. Скорость движения крови в сосудах. Ударный объем крови. Работа и мощность сердца.

6. Уравнение Пуазейля. Понятие о гидравлическом сопротивлении кровеносных сосудов и о способах воздействия на него.

7. Законы движения жидкости. Уравнение неразрывности; его связь с особенностями системы капилляров. Уравнение Бернулли; его связь с кровоснабжением мозга и нижних конечностей.

8. Ламинарное и турбулентное движение жидкости. Число Рейнольдса. Измерение артериального давления по методу Короткова.

9. Уравнение Ньютона. Коэффициент вязкости. Кровь как неньютоновская жидкость. Вязкость крови в норме и при патологиях.

Биофизика цитомембран и электрогенеза

1. Явление диффузии. Уравнение Фика.

2. Строение и модели клеточных мембран

3. Физические свойства биологических мембран

4. Концентрационный элемент и уравнение Нернста.

5. Ионный состав цитоплазмы и межклеточной жидкости. Проницаемость клеточной мембраны для различных ионов. Разность потенциалов на мембране клетки.

6. Потенциал покоя клетки. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца

7. Возбудимость клеток и тканей. Методы возбуждения. Закон «все или ничего».

8. Потенциал действия: графический вид и характеристики, механизмы возникновения и развития.

9. Потенциал-зависимые ионные каналы: строение, свойства, функционирование

10. Механизм и скорость распространения потенциала действия по безмякотному нервному волокну.

11. Механизм и скорость распространения потенциала действия по миелинизированному нервному волокну.

Биофизика рецепции.

1. Классификация рецепторов.

2. Строение рецепторов.

3. Общие механизмы рецепции. Рецепторные потенциалы.

4. Кодирование информации в органах чувств.

5. Особенности светового и звукового восприятия. Закон Вебера-Фехнера.

6. Основные характеристики слухового анализатора. Механизмы слуховой рецепции.

7. Основные характеристики зрительного анализатора. Механизмы зрительной рецепции.

Биофизические аспекты экологии.

1. Геомагнитное поле. Природа, биотропные характеристики, роль в жизнедеятельности биосистем.

2. Физические факторы, имеющие экологическую значимость. Уровни естественного фона.

Элементы теории вероятности и математической статистики.

Свойства выборочного среднего

Xв -ԑ< xг< xв+ԑ

2. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика, ее применение в медицине.

Из теории электромагнитного поля, разработанной Дж. Максвеллом, следовало: электромагнитные волны распространяются со скоростью света - 300 000 км/с, что эти волны поперечны, так же как и световые волны. Максвелл предположил, что свет - это электромагнитная волна. В дальнейшем это предсказание нашло экспериментальное подтверждение.

Как и электромагнитные волны, распространение света подчиняется тем же законам.

Закон отражения. Угол падения равен углу отражения (α=β). Падающий луч АО, отраженный луч ОВ и перпендикуляр ОС, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

Закон преломления. Луч падающий АО и преломленный ОВ лежат в одной плоскости с перпендикуляромCD, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред. Отношение синусов угла падения а и угла преломления у постоянно для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды по отношению к первой: .

Законы отражения света учитываются при построении изображения предмета в зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом) и проявляются в зеркальном отражении в перископах, в прожекторах, автомобильных фарах и во многих других технических устройствах.Законы преломления света учитываются при построении изображения во всевозможных линзах, призмах и их совокупности (микроскоп, телескоп), а также в оптических приборах (бинокли, спектральные аппараты, фотоаппараты и проекционные аппараты). Если световой луч следует из оптически менее плотной среды (например, из воздуха;n возд. = 1) в оптически более плотную среду (например в стекло с показателем преломленияn ст. = 1,5), то на их границе произойдет частичное отражение и частичное преломление света.

Отсюда следует, что , то есть синус угла преломленияgменьше, чем синус угла падения a, в 1,5 раза. А еслиsing

Если же световой луч пустить из оптически более плотного стекла в оптически менее плотный воздух, то угол преломления окажется, наоборот, больше угла падения, g > a. Для обсуждаемого обратного хода луча закон преломления:

следовательно, sing = 1,5sina; g >a

Эта ситуация иллюстрируется схемой А на рисунке

Если угол падения a увеличить до некоторого предельного значения a пр, то угол преломления g >aдостигает наибольшего значения g=90 0 . Преломленный луч скользит по границе раздела двух сред. При углах паденияa>a пр явление преломления не происходит, а вместо частичного отражения на границе раздела фаз происходитполное отражение света внутрь оптически более плотной среды, илиполное внутреннее отражение . Это оптическое явление составляет основу целого физико-технического направления, которое называетсяволоконная оптика.

В медицине волоконная оптика нашла применение в эндоскопах - устройствах для осмотра внутренних полостей (например, желудка). Световод, представляющий собой жгут из большого числа тонких стеклянных волокон, помещенных в общую защитную оболочку, вводится в исследуемую полость. Часть волокон используется для организации освещения полости от источника света, расположенного вне тела пациента. Световод может использоваться и для передачи во внутреннюю полость лазерного излучения в лечебных целях.

Полное внутреннее отражение происходит и в некоторых структурах сетчатки глаза.

3. Оптическая система глаза. Недостатки зрения, методы их коррекции .

Оптическая система глаза обеспечивает получение на сетчатке глаза уменьшенного действительного обратного (перевернутого) изображения. Если светопреломляющую систему глаза рассматривать как одну линзу, то общая оптическая сила этой системы получается как алгебраическая сумма следующих четырёх слагаемых:

а) Роговица: D = +42,5 дптр

б) Передняя камера: D от +2 до +4 дптр

в) Хрусталик: D  const; от +19 до +33 дптр

г) Стекловидное тело;D от –5 до –6 дптр.

Благодаря тому, что оптическая сила хрусталика - величина переменная, суммарная оптическая сила глаза лежит в пределах от 49 до 73 дптр.

Редуцированный глаз, как единая линза, обращён одной стороной - к воздуху, (абсолютный показатель преломления nвозд = 1), а другой - соприкасается с жидкостью, nж=1,336. Так что левый и правый фокусные расстояния не одинаковы; если переднее фокусное расстояние в среднем F1 = 17 мм, то заднее - F2 = 23 мм. Оптический центр системы - в глубине глаза на расстоянии 7,5 мм от наружной поверхности роговицы.

Основной преломляющий элемент этой системы – роговица - имеет не сферическую, а более сложную форму преломляющих поверхностей, и это - хороший удар по сферической аберрации.

Хрусталик меняет свою оптическую силу при сокращении или расслаблении цириальных мышц; этим достигается аккомодация глаза - его приспособление к фокусировке изображения на сетчатке как при рассматривании удалённых, так и близких предметов. Необходимое напряжение этих мышц даёт информацию о расстоянии до рассматриваемого предмета, даже если мы рассматриваем его одним глазом. Общее количество света, поступающее в глаз, регулируется радужной оболочкой. Она может быть разной по цвету, и потому люди бывают голубоглазые, кареглазые и т.п. Она управляется парой мышц. Имеется мышца, сужающая зрачки (циркулярная мышца), имеется мышца, его расширяющая (радиальная мышца).

Рассмотрим далее особенности строения сетчатки. Её назначение - преобразовать оптическое изображение, полученное на её поверхности, в потоки электрических нервных импульсов, поступающих в мозг. Эти преобразования осуществляются клетками-фоторецепторами двух типов, получивших, в связи с особенностями своей формы, название колбочек и палочек.

Колбочки-фоторецепторы дневного зрения. Обеспечивают цветовое зрение. Палочки - рецепторы сумеречного зрения. Каждый глаз человека содержит примерно 125*106 палочек и 5*106 колбочек, итого 130*106 фоторецепторов. Колбочки и палочки распределены по сетчатке очень неравномерно: на периферии размещены только палочки, чем ближе к области жёлтого пятна, тем больше встречается колбочек; в жёлтом пятне размещены только колбочки и их плотность (количество на единицу площади) очень велика, так что здесь эти клетки даже «изготавливаются» в малогабаритном варианте - они более мелкие, чем в других областях сетчатки.

Область жёлтого пятна сетчатки - это область наилучшего зрения. Здесь мы фокусируем изображение предмета, если хотим разглядеть этот предмет особо тщательно.

Плотность «упаковки» колбочек в жёлтом пятне определяет остроту нашего зрения. Плотность эта, в среднем, такова, что на отрезке длиной 5 мкм умещаются три колбочки. Для того, чтобы глаз различал две точки предмета, необходимо, чтобы между двумя засвеченными колбочками непременно находилась одна не засвеченная.

Рефракция (преломление) света в глазе является нормальной, если изображение предмета, даваемое оптической системой глаза, ложится на наружные сегменты фоторецепторов, и при этом мышцы, управляющие кривизной хрусталика, расслаблены. Такая (нормальная) рефракция называетсяэмметропией.

Отклонение от эмметропии – аметропия – встречается в двух разновидностях.Миопия (близорукость) – изображение фокусируется не на сетчатке, а перед ней, то есть преломление света в глазе происходит «слишком хорошо». Эта избыточность устранима рассеивающими очковыми линзами (оптическая сила отрицательная).

Гиперметропия (дальнозоркость) – разновидность аметропии, при которой изображение формируется за сетчаткой. Чтобы вернуть изображение на сетчатку, надо «помочь» глазу собирающей очковой линзой (оптическая сила положительная). Говоря иначе, если оптическая сила глаза недостаточна, её можно увеличить дополнительным слагаемым - оптической силой собирающей очковой линзы.

Появление контактных линз вместо классических очков поначалу воспринималось чуть ли не как революция.

При обсуждении возможностей контактной линзы необходимо принять во внимание, что относительный показатель преломления на первой (по ходу луча) поверхности контактной линзы фактически равен абсолютному показателю преломления материала линзы, а на второй поверхности он равен отношению абсолютных показателей преломления роговицы и линзы.

При внедрении любого изобретения рано или поздно обнаруживаются как достоинства, так и недостатки. Классические очки и контактные линзы, в их нынешнем виде, можно сопоставить следующим образом:

Классические очки легко одевать и снимать, но не удобно носить;

Контактные линзы удобно носить, но не удобно надевать и снимать.

Лазерная коррекция зрения – это микрооперация на наружной поверхности роговицы. Напомним, что роговица - основной светопреломляющий элемент оптической системы глаза. Коррекция зрения достигается изменением кривизны наружной поверхности роговицы. Например, если сделать поверхность более плоской, (т.е. увеличить радиус кривизны R), то согласно формуле (4) оптическая силаDэтой поверхности уменьшится.

Серьёзные проблемы со зрением возникают при отслоении сетчатки. В этих случаях нашёл применение метод закрепления сетчатки на предусмотренном природой месте с помощью фокусированного лазерного луча. Этот способ закрепления подобен точечной сварке металлов в технике. Сфокусированный луч создаёт малую зону повышенной температуры, в которой происходит «сварка» биологических тканей (в прямом и переносном смысле).

Ретиналь - одна из двух основных компонент родопсина – это альдегид витамина А. С учётом того, что наружные сегменты фоторецепторов постоянно обновляются, полноценное обеспечение организма витамином А отвечает интересам поддержания зрительной системы в хорошем состоянии.

4 . Оптический микроскоп. Ход лучей в микроскопе. Полезное увеличение микроскопа.

Микроско́п - прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом. Представляет собой совокупность линз.

Совокупность технологий изготовления и практического использования микроскопов называют микроскопией., В микроскопе различают механическую и оптическую части. Механическая часть представлена штативом (состоящим из основания и тубусодержателя) и укрепленным на нем тубусом с револьвером для крепления и смены объективов. К механической части относятся также: предметный столик для препарата, приспособления для крепления конденсора и светофильтров, встроенные в штатив механизмы для грубого (макромеханизм, макровинт) и тонкого (микромеханизм, микровинт) перемещения предметного столика или тубусодержателя.

Оптическая часть представлена объективами, окулярами и осветительной системой, которая в свою очередь состоит из расположенных под предметным столиком конденсора Аббе и встроенного осветителя с низковольтной лампой накаливания и трансформатором. Объективы ввинчиваются в револьвер, а соответствующий окуляр, через который наблюдают изображение, устанавливают с противоположной стороны тубуса.

К механической части относится штатив, состоящий из основания и тубусодержателя. Основание служит опорой микроскопа и несет всю конструкцию штатива. В основании микроскопа находится также гнездо для зеркала или встроенный осветитель.

предметный столик, служащий для размещения препаратов и горизонтальногоих перемещения;

узел для крепления и вертикального светофильтров.

Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза Максимальное полезное увеличение микроскопа, т. е. увеличение, с которым выявляются детали рассматриваемого предмета, определяется по формуле

где d1 – максимальная разрешающая способность человеческого глаза, равная 0,3 мм; d – максимальная разрешающая способность оптической системы.