XI. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Основные законы и формулы по данному разделу представлены в таблице 11.

Таблица 11 – Основные законы и формулы

Наименование величины или физический закон	Формула
Предел разрешения микроскопа z. – длина волны света, θ – апертурный угол, n – показатель преломления среды между предметным стеклом и объективом
Предельный угол при полном внутреннем отражении
Угол максимальной поляризации света при отражении (закон Брюстера)
Угол поворота плоскости поляризации света. С – концентрация раствора, L – длина пути света в растворе (закон Био) – удельное вращение.
Энергетическая светимость тела (закон Стефана-Больцмана)
Длина волны , на которую приходится максимум теплового излучения (закон Вина)

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляет собой явление интерференции волн? Каковы условия, при которых возникает явление интерференции?

2. Каковы методы наблюдения интерференции света? Почему не наблюдается интерференция при одновременном включении двух лампочек?

3. Что представляет собой явление дифракции? При каких условиях наблюдается дифракция?

4. Что называют разрешающей способностью оптического прибора? Какими причинами она вызывается? Дайте определение предела разрешения.

5. Каковы свойства ультрафиолетового и инфракрасного излучений? Каковы методы наблюдения этих излучений?

6. Как применяют ультрафиолетовое излучение в ветеринарии и зоотехнии? Расскажите о бактерицидном и эритемном действии ультрафиолетового излучения.

7. Расскажите о явлении поляризации света. Каковы методы наблюдения поляризации света?

8. Сформулируйте законы Малю и Брюстера.

9. Расскажите о явлении двойного лучепреломления и о применении этого явления при исследовании микроструктур в поляризованном свете.

10. Расскажите о явлении вращения плоскости поляризации оптически активными веществами.

11. Расскажите об устройстве поляриметров и сахариметров. Каково их применение в ветеринарии?

12. Что называют лучеиспускательной и лучепоглощательной способностью тела?

13. Что называют абсолютно черным телом? Каковы модели абсолютно черного тела?

14. Сформулируйте законы Стефана-Больцмана, Кирхгофа и Вина.

Примеры решения задач

ЗАДАЧА № 1

Раствор глюкозы с концентрацией 0,28 г/см³, налитый в стеклянную трубку длиной 15 см, поворачивает плоскость поляризации света на 32^о. Определить удельное вращение глюкозы.

Дано:

Решение: Согласно закону Био, угол поворота плоскости поляризации в оптически активных веществах

ЗАДАЧА № 2

Какое количество теплоты излучает 1 поверхности тела лошади за час, если температура воздуха в конюшне 15 , а температуру кожи лошади принять в среднем . Приведенный коэффициент излучения кожи равен .

Дано:

Решение: Согласно закону Стефана-Больцмана, тепловой поток пропорционален четвертой степени абсолютной температуры этого тела, а также площади поверхности и времени излучения. Теплообмен между двумя телами с разными температурами (например, между телом животного и окружающим воздухом) заключается в том, что тело с более высокой температурой (тело 1) излучает сильнее и передает телу с более низкой температурой (телу 2) больше энергии в единицу времени, чем само оно получает от тела 2. Таким образом, от тела 1 к телу 2 передается тепловой поток:

где δ - приведенный коэффициент излучения, зависящий от его температуры и в значительной степени от состояния его поверхности.

Проверим размерность:

Подставим в это выражение числовые значения заданных величин

Контрольные задачи

101. Можно ли рассмотреть эритроцит диаметром 5 мкм в микроскопе с апертурным углом 70° с красным светофильтром, пропускающим свет с длиной волны 655 нм?

102. В ультрафиолетовом микроскопе используют лучи с длиной волны 0,2 мкм. Можно ли обнаружить этим микроскопом рибосомы внутри клетки, если их диаметр 30 нм? Апептурный угол объектива микроскопа 65°.

103. Объект наблюдают в микроскоп с красным светофильтром, пропускающим длину волны 645 нм, а затем с зеленым светофильтром при длине волны 490 нм. Во втором случае была использована иммерсионная жидкость – монобромнафталин с показателем преломления 1,66. Апертурный угол объектива микроскопа 65°. Вычислить в обоих случаях предел разрешения микроскопа.

104. Предельный угол полного внутреннего отражения для роговицы глаза равен 46°. Вычислить для роговицы угол полной поляризации (угол Брюстера).

105. Угол полной поляризации (угол Брюстера) для сыворотки крови здорового человека равен 53,3°. Вычислить для сыворотки предельный угол полного внутреннего отражения.

106. Определить концентрацию сахара в моче человека, больного диабетом, если в трубке сахариметра длиной 20 см плоскость поляризации света повернулась на 40°. Удельное вращение сахара равно 66,5 град·см³/(г·дм).

107. Определить удельное вращение мятного масла, плотность которого 905 кг/м³. В трубке поляриметра длиной 20 см угол поворота плоскости поляризации оказался равным 44°.

108. Считая Солнце абсолютно черным телом, определить температуру его поверхности. Радиус Солнца 6,95…108 м, расстояние от Земли до Солнца 150 млн. км. Солнечная постоянная (энергетическая освещенность, создаваемая Солнцем на границе земной атмосферы) равна 1,37 кВт/м².

109. Во сколько раз теплоотдача (т. е. количество теплоты, излучаемой с 1 м² поверхности тела в секунду) лошади меньше, чем теплоотдача тела птицы при температуре окружающего воздуха 20 ? Средние температуры кожи лошади и птицы соответственно принять равными 25 и 33 . На какие длины волн приходятся максимумы излучения тел лошади и птицы?

110. Во сколько раз изменится теплоотдача с поверхности тела коровы при понижении температуры воздуха в коровнике от 23 до 12 ? Среднюю температуру кожи коровы принять равной 27 . На какую длину волны приходится максимум излучения тела коровы?

XII. ОПТИКА. ФОТОБИОЛОГИЯ

Основные законы и формулы по данному разделу представлены в таблице 12.

Таблица 12 – Основные законы и формулы

Наименование величины или физический закон	Формула
Энрегия кванта (фотона), с – скорость света
Соотношение между массой и энергией (формула Эйнштейна)
Закон поглощения света. J₀ и J – интенсивности света до и после поглощения слоем вещества толщиной L ( – показатель поглощения)

Вопросы для самоконтроля

1. В чем сущность квантовой теории излучения? Напишите формулу Планка.

2. Расскажите об опытах Столетова по фотоэффекту.

3. Сформулируйте законы фотоэффекта. Почему эти законы нельзя объяснить на основе классической волновой теории света?

4. Напишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

5. Напишите уравнение Эйнштейна, дающее связь между массой и энергией.

6. Какие физические явления определяют взаимодействие
света с веществом?

7. Выведите закон поглощения света (закон Бугера). Объясните физический смысл показателя поглощения.

8. Перечислите типы фотохимических реакций, протекающих в биологических системах.

9. Дайте определение люминесценции. Сформулируйте правило Стокса.

10. Расскажите о применении люминесцентного анализа в ветеринарии и в ветеринарно-санитарной экспертизе.

11. Каковы источники и свойства ультрафиолетового излучения?

12. Расскажите о биологическом действии ультрафиолетового излучения.

13. Каковы источники и свойства инфракрасного излучения?

14. Опишите свойства лазерного излучения. Расскажите о применении лазеров в биологии и ветеринарии.

Примеры решения задач

Задача № 1

Коротковолновое УФ-излучение с длиной волны 200 нм оказывает наиболее выраженное бактерицидное действие, обусловленное изменением структуры белков, входящих в состав бактерий. Вычислить энергию, необходимую для изменения структуры этих белков. Ответ выразить в электронвольтах. Культура бактерий находится в чашке Петри диаметром 100 мм. Какое количество фотонов УФ-излучения попадает на поверхность культуры бактерий за 10 мин, если интенсивность облучения 0,3 мВт/см²?

Дано:

Решение: Энергия кванта равна

Отсюда

Поэтому

Интенсивность потока излучения равна энергии, падающей на единицу площади поверхности за единицу времени. Энергия потока равна произведению энергии одного фотона на число фотонов, т. е. nW.

Таким образом, . Отсюда .

Площадь круглой чашки Петри Следовательно, . Подставим числовые значения:

Ответ: энергия одного фотона 6,22 (эВ); на поверхность чашки Петри за 10 мин попадает 1,42·10¹⁹ фотонов.

Задача № 2

При прохождении через кювету с окрашенным раствором лекарственного вещества интенсивность света уменьшилась па 18 %. Определить показатель поглощения раствора. Во сколько раз уменьшится интенсивность света по сравнению с первым раствором, если концентрацию раствора увеличить в 5 раз? Толщина слоя раствора в кювете 8 см.

Дано:

Решение: В соответствии с законом Бугера, интенсивность света, прошедшего через слой вещества толщиной d, уменьшается по экспоненциальному закону:

где - показатель поглощения вещества.

Отсюда . Логарифмируя, получим:

Отсюда .

По условиям задачи . Преобразуя, получим:

Поглощение монохроматического света окрашенными растворами подчиняется закону Бера, согласно которому показатель поглощения прямопропорционален концентрации вещества в растворе, т. е. С, где - показатель поглощения для раствора единичной концентрации. Поэтому для растворов двух концентраций можно написать закон Бугера-Бера:

Ответ: интенсивность света во втором растворе уменьшится и будет равна .

Контрольные задачи

111. Фотоактивирование семян производят излучением гелий-неонового лазера мощностью 25 мВт. Какое число фотонов падает на поверхность семени в минуту? Длина волны излучений 630 нм.

112. Мощность излучения Солнца составляет 3,84∙10²⁶ Вт. Вычислить, какую массу теряет Солнце на излучение в одну секунду. Через сколько лет масса Солнца (1,99-1027 т) уменьшится вдвое?

113. Вычислить энергию фотонов, излучаемых гелий-неоновым лазером, если длина волны этого излучения 632,8 нм. Ответ выразить в джоулях и электронвольтах. Сколько фотонов излучает лазер в секунду, если его мощность 50 мВт?

114. Известно, что солнечный свет регулирует развитие растений, действуя на фитохром в узле кущения. Определить коэффициент поглощения света в стеблях растений, если на пути 8 см свет ослабляется в 20 раз.

115. Лазерное излучение мощностью 2 мВт может вызвать ожог сетчатки глаза за время 2 с при площади пятна 1,2 мм². Вычислить интенсивность потока лазерного излучения. Какое количество фотонов падает за это время на сетчатку, если длина волны излучения 632,8 нм?

116. В реакции фотосинтеза на образование одной молекулы О₂ расходуется 8 фотонов. Какое количество световой энергии необходимо для образования при фотосинтезе 1 моля кислорода? Длину световой волны принять равной 555 нм. Коэффициент использования световой энергии 0,34.

117. В лечебно-профилактических целях производят ультрафиолетовое облучение молодняка сельскохозяйственных животных лампами ЛЭ-15, дающими излучение с длиной волны 315 нм. Интенсивность облучения 15 мкВт/см². Какое количество фотонов попадает при 10-минутном облучении на поверхность тела животного площадью 1,7 м²?

118. Порог зрительного ощущения глаза человека в области его максимальной чувствительности при длине световой волны 555 нм составляет 3·10^-17 Вт. Какое количество фотонов попадает при этом в глаз за одну минуту?

119. Для определения показателя поглощения сыворотки крови ее наливают в кювету и с помощью фотометра определяют, что интенсивность света, прошедшего через столбик сыворотки, уменьшается на 14 % по сравнению с.интенсивностью падающего света. При прохождении через такую же толщу воды интенсивность света уменьшается на 3 %. Вычислить показатель поглощения сыворотки, если известно, что показатель поглощения воды равен 2·10^-3 см^-1.

120. Вычислить показатель поглощения света жировой тканью, если при прохождении света через ткань толщиной 3 мм интенсивность света уменьшилась на 94 %.

ТАБЛИЦЫ СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ

Таблица 13 – Основные физические константы в Си

Название	Символ
Гравитационная постоянная Скорость света в вакууме Постоянная Авогадро Универсальная газовая постоянная Постоянная Больцмана Постоянная Фарадея Постоянная Планка Постоянная Стефана-Больцмана Постоянная Вина Заряд электрона Масса покоя электрона Масса покоя протона	с R k F h s b e	6,670•10ˉ¹¹ м³•кгˉ¹•сˉ² 2,99793•10⁸м•сˉ¹ 6,02252•10²³ мольˉ¹ 8,31510 Дж•Кˉ¹•мольˉ¹ 1,38054•10ˉ²³ Дж•Кˉ¹ 9,6487•10⁴ Кл•мольˉ¹ 6,62491•10^-34 Дж•с 5,6697•10ˉ ⁸ Дж•мˉ²•сˉ¹•Кˉ⁴ 2,8979•10ˉ³ м•К 1,6021•10^-19 Кл 9,1091•10ˉ³¹ кг 1,67261•10ˉ²⁷ кг

Примечание. При решении задач числа необходимо округлять до количества знаков, требуемых условиями задач.

Таблица 14 – Приставки для обозначения десятичных кратных и дольных единиц

Название приставки	Обозначение	Коэффициент умножения , соответствующий приставке	Пример
Тера Гига Мега Кило Гекто Дека Деци Санти Милли Микро Нано Пико	Т Г М к г да д с м мк н п	10¹² 10⁹ 10⁶ 10³ 10² 10 10⁻¹ 10⁻² 10⁻³ 10⁻⁶ 10⁻⁹ 10⁻¹²	Тераджоуль (ТДж) Гигаом (ГОм) Мегаом (Мом) километр (км) гектоватт (гВт) декалитр (дал) дециметр (дм) сантиметр (см) миллиампер (мА) микровольт (мкВ) нанометр (нм) пикофарада (пФ)

Примечание. При произношении ударение не должно приходиться на приставку.

Таблица 15 – Корни и натуральные логарифмы чисел от 1 до 10

N			N
1 2 3 4 5	1,000 1,414 1,732 2,000 2,236	0,000 0,639 1,099 1,386 1,609	6 7 8 9 10	2,449 2,626 2,828 3,000 3,162	1,792 1,946 2,079 2,197 2,303

Таблица 16 – Некоторые часто встречающиеся числа и их логарифмы

Число	N	lg N	Число	N	lg N
π 2π 4π 4/3π π/2	3,14 6,28 12,57 4,19 1,571	0,497 0,798 1,099 0,622 0,196	π² g e l/e	1,772 9,870 9,81 2,718 0,368	0,248 0,994 0,992 0,434 1,793

Таблица 17 – Греческий алфавит

Обозначение букв	Название букв	Обозначение букв	Название букв
A, α B, β Г, γ ∆, δ E, ε Z, ζ H, η Θ, θ I, ι K, ϰ Л, λ М, μ	альфа бета гамма дельта эпсилон дзета эта тэта йота каппа ламбда мю	N, ν Ξ, ξ O, ο П, π Р, ρ Σ, σ Τ, τ Υ, υ Φ, φ Χ, χ Ψ, ψ Ω, ω	ню кси омикрон пи ро сигма тау ипсилон фи хи пси омега

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ

«ОСНОВЫ ФИЗИКИ И БИОФИЗИКИ»

Часть I

1. Угловая скорость, линейная скорость вращательного движения. Период вращения. Применение вращательного движения в сельхозтехнике.

2. Угловое ускорение, линейное ускорение, зависимость между касательным и угловым ускорением.

3. Момент силы. Момент инерции. Кинетическая энергия вращающегося тела.

4. Основное уравнение динамики вращательного движения. Закон сохранения момента импульса. Примеры его применения, в том числе для биообъектов.

5. Идеальная жидкость. Условие неразрывности струи. Уравнение Бернулли.

6. Вязкость. Формула Ньютона для вязкой жидкости. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Физические свойства крови.

7. Ламинарное и турбулентное течение жидкости. Число Рейнольдса. Примеры для биообъектов.

8. Пульсовые волны. Механическая и электрическая модели сердечно-сосудистой системы.

9. Колебательные движения в биологических объектах. Гармонические колебания. Уравнение смещения скорости и ускорения.

10. Затухающие и незатухающие колебания. Резонансные явления в технике и в биологических процессах. Действие вибрации на организм.

11. Природа звука. Физические и физиологические характеристики звука. Закон Вебера-Фехнера. Звук в жизни животных.

12. Ультразвук и инфразвук, их физические свойства. Ультразвук и инфразвук в жизни животных. Шум как стресс-фактор, его влияние на живой организм.

13. Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества (МКТ).

14. Основное уравнение МКТ и следствия из него.

15. Закон Вебера-Фехнера.

16. Закон Кулона.

17. Поверхностное натяжение в жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения. Дополнительное давление над искривлённой поверхностью. Формула Лапласа.

18. Капиллярные явления. Капиллярные явления в природе, в почве и в биологических процессах. Газовая эмболия, её роль в термодинамике.

19. Предмет термодинамики. Термодинамические системы и процессы. Организм как открытая термодинамическая система.

20. Первое начало термодинамики и его применение к биологическим системам.

21. Лазер. Принцип работы.

22. Обратимые и необратимые процессы. Понятие энтропии. Второе начало термодинамики.

23. Электрическое поле. Закон Кулона. Напряжённость. Потенциал и разность потенциалов. Электрические органы некоторых животных.

24. Проводники в электрическом поле. Электростатическая защита. Заземление электроустановок.

25. Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Диэлектрические свойства организма.

26. Электрический ток в металлах. Сила тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление металлических проводников. Закон Ома в дифференциальной форме.

27. Тепловые действия тока. Работа тока. Мощность тока. Электронагревательные устройства в промышленном животноводстве и птицеводстве.

28. Постоянное магнитное поле. Силовые линии магнитного поля. Использование магнитного поля. Использование магнитных полей в сельском хозяйстве и в ветеринарии.

29. Взаимодействие проводников с током между собой. Формула Ампера. Напряжённость магнитного поля.

30. Вещества парамагнитные, ферромагнитные и диамагнитные.

Часть II

1. Опыты Фарадея. Правило Ленца. Основное уравнение электромагнитной индукции.

2. Самоиндукция. Индуктивность. Применение индуктивных токов.

3. Строение и свойства клеточных мембран. Уравнение переноса в общем виде.

4. Уравнение Фика, Фурье и уравнение электропроводности.

5. Электродиффузионное уравнение переноса заряженных частиц через биомембрану.

6. Пассивный транспорт. Активный транспорт. Работа Na-K насоса.

7. Мембранный потенциал. Потенциал покоя. Потенциал действия.

8. Осмотические явления в клетке. Закон Вант-Гоффа.

9. Действие постоянного тока на живые ткани. Гальванизация и электрофорез.

10. Порог раздражения в тканях. Хронаксия.

11. Прохождение переменного тока через живые ткани. Дисперсионная кривая электропроводности.

12. Эквивалентные электрические схемы биологических объектов.

13. Переменные высокочастотные токи: ДИАТЕРМИЯ. Переменное электрическое поле высокой частоты: УВЧ-терапия.

14. Переменное магнитное поле: ИНДУКТОТЕРАПИЯ. Микроволновая и дециметровая терапия.

15. Чувствительность живых существ к электромагнитным полям. Реография.

16. Интерференция волн. Интерференция света. Интерференция в природе.

17. Интерференция на тонкой плёнке. Интерферометр. Интерференционный микроскоп.

18. Дифракция волн и дифракция света. Принцип Гюйгенса. Дифракционная решётка.

19. Поляризация волн и поляризация света. Закон Брюстера. Поляризация света в природе.

20. Двойное лучепреломление. Призма Николя и поляроиды.

21. Оптически активные вещества. Их примеры. Поляриметрия, её применение.

22. Дисперсия света. Биологическое значение солнечного света.

23. Планетарная модель атома. Теория Бора.

24. Энергетические уровни атома. Квантовые переходы.

25. Корпускулярно-волновой дуализм света.

26. Волновые свойства электрона. Формула де Бройля. Дифракция электронов.

27. Люминесценция и её виды. Биолюминесценция.

28. Фотолюминесценция. Правило Стокса.

29. Люминесцентный анализ. Его применение в ветеринарии.

30. Квантово-оптический генератор (генератор). Устройство, принцип работы лазера и биологическое действие лазерного излучения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грабовский, Р.И. Курс физики / Р.И. Грабовский. – М. : Высшая школа, 1980.

2. Белановский, А.С. Основы физики в ветеринарии / А.С. Белановский. – М. : Агропромиздат, 1989.

3. Белановский , А.С. Основы физики и биофизики: методические указания по изучению дисциплины и задания для контрольных работ / А.С. Белановский. – М., 1990.

4. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики / В.С. Волькенштейн. – М. : Наука, 1985.

5. Ремизов, А.Н. Сборник задач по физике для медицинских институтов / А.Н. Ремизов, Н.Х. Исхакова. – М. : Высшая школа, 1978.

6. Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов. – М. : Высшая школа, 1987.

7. Прокофьев, В.Л. Физика: программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников технологических и инженерно-экономических специальностей высших учебных заведений / В.Л. Прокофьев. – М.: Высш. шк., 1985.

Учебное издание

Физика с основами биофизики

Методические указания и контрольные задания

для студентов заочного факультета, обучающихся

по специальности «Ветеринария»

и направлениям «Зоотехния» и «ТППСХП»

Составитель Поспелова Ирина Геннадиевна

Редактор И.М. Мерзлякова

Технический редактор Е.Ф. Николаева

Подписано в печать_______2013 г.

Формат 60×84/16. Тираж 100 экз.

Уч.-изд. л.____. Усл. печ. л._____