醫(yī)用物理學(xué)-10-11-電與磁ppt課件

1、第第5章章 電與磁電與磁electricity & magnetism 體內(nèi)產(chǎn)生的電是用于控制和驅(qū)動(dòng)神經(jīng)、肌肉和體內(nèi)產(chǎn)生的電是用于控制和驅(qū)動(dòng)神經(jīng)、肌肉和器官的。實(shí)際上，人體所有功能和活動(dòng)都以某種器官的。實(shí)際上，人體所有功能和活動(dòng)都以某種方式涉及到電。肌肉的力是由電荷的吸引和排斥方式涉及到電。肌肉的力是由電荷的吸引和排斥所引起的。腦的活動(dòng)基本上是電的活動(dòng)，出入腦所引起的。腦的活動(dòng)基本上是電的活動(dòng)，出入腦的所有神經(jīng)信號(hào)都包含有電流。的所有神經(jīng)信號(hào)都包含有電流。 有關(guān)人體電活動(dòng)的許多概念可追溯到許多年有關(guān)人體電活動(dòng)的許多概念可追溯到許多年以前。以前。1786年年Galvani首先在這一領(lǐng)域作

2、出了貢首先在這一領(lǐng)域作出了貢獻(xiàn)，當(dāng)時(shí)他在青蛙腿上發(fā)現(xiàn)了生物電，此后有許獻(xiàn)，當(dāng)時(shí)他在青蛙腿上發(fā)現(xiàn)了生物電，此后有許多年對(duì)人體內(nèi)、外的電效應(yīng)進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研多年對(duì)人體內(nèi)、外的電效應(yīng)進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究。這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究叫神經(jīng)生理學(xué)。究。這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究叫神經(jīng)生理學(xué)。人體內(nèi)的電 在云和大地之間的電勢(shì)差在云和大地之間的電勢(shì)差 超過(guò)超過(guò)107V 每秒流動(dòng)的電荷達(dá)每秒流動(dòng)的電荷達(dá)105C1 電荷Electric Charge）1 1、兩種電荷、兩種電荷正電荷和負(fù)電荷正電荷和負(fù)電荷2 2、導(dǎo)體與絕緣體、導(dǎo)體與絕緣體靜電的應(yīng)用靜電的應(yīng)用墨粉借助墨粉借助靜電吸引粘著在靜電復(fù)印靜電吸引粘著在靜電復(fù)印機(jī)的小載

3、體珠上。珠的直機(jī)的小載體珠上。珠的直徑約徑約0.3mm0.3mm生活中的帶電現(xiàn)象生活中的帶電現(xiàn)象 干燥天氣，接觸干燥天氣，接觸金屬把手放電；衣服摩金屬把手放電；衣服摩擦發(fā)出電火花；閃電；擦發(fā)出電火花；閃電； 某些材料中，存在能自由移動(dòng)的電荷，某些材料中，存在能自由移動(dòng)的電荷，稱為導(dǎo)體，例如稱為導(dǎo)體，例如；另一些材料中沒(méi)有能自；另一些材料中沒(méi)有能自由移動(dòng)的電荷，稱為非導(dǎo)體或絕緣體。半導(dǎo)由移動(dòng)的電荷，稱為非導(dǎo)體或絕緣體。半導(dǎo)體、超導(dǎo)體體、超導(dǎo)體氣泡室中一個(gè)電子和一氣泡室中一個(gè)電子和一個(gè)正電子留下的由氣泡個(gè)正電子留下的由氣泡形成的徑跡的照片。形成的徑跡的照片?；倦姾蒭是自然界的重要常量。電子和質(zhì)子

4、具有大小為e的電荷。3、電荷是量子化的、電荷是量子化的(quantization)其中，基本電荷 e =1.6010-19C放射學(xué)衰變, 3,2, 1,nneq4、電荷是守恒的、電荷是守恒的HeThU422349023892ee正負(fù)電子對(duì)湮滅C. A. Coulomb C. A. Coulomb 1736 18061736 1806法國(guó)物理學(xué)家法國(guó)物理學(xué)家 1773 1773年提出的計(jì)算物體上應(yīng)力年提出的計(jì)算物體上應(yīng)力和應(yīng)變分布情況的方法，是結(jié)構(gòu)工和應(yīng)變分布情況的方法，是結(jié)構(gòu)工程的理論基礎(chǔ)。程的理論基礎(chǔ)。 1779 1779年對(duì)摩擦力進(jìn)行分析，提年對(duì)摩擦力進(jìn)行分析，提出有關(guān)潤(rùn)滑劑的科學(xué)理論。出

5、有關(guān)潤(rùn)滑劑的科學(xué)理論。 17851789 17851789年，用扭秤測(cè)量靜年，用扭秤測(cè)量靜電力和磁力，導(dǎo)出著名的庫(kù)侖定律。電力和磁力，導(dǎo)出著名的庫(kù)侖定律。 通過(guò)對(duì)滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦的實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦的實(shí)驗(yàn)研究，得出摩擦定律。研究，得出摩擦定律。庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律 (Coulomb (Coulombs Law) s Law) 靜電常量靜電常量 k 9.0109 Nm2/C2 Coulombs Law The electrostatic force of attraction or repulsion The electrostatic force of attraction or repuls

6、ion between two point charges has the magnitudebetween two point charges has the magnitude221rqqkF q2q112F21F21r（CoulombCoulombs laws law）221041rqqF真空介電常數(shù)真空介電常數(shù) 0 = 8.850 = 8.8510-12 10-12 C2/Nm2C2/Nm2平方反比規(guī)律平方反比規(guī)律思索：引力和靜電力的差別？221rmmGF 引力和靜電力都遵守疊加原理。如果有引力和靜電力都遵守疊加原理。如果有n n個(gè)帶個(gè)帶電粒子，它們獨(dú)立地成對(duì)相互作用，于是作用在電粒子

7、，它們獨(dú)立地成對(duì)相互作用，于是作用在其中任意一個(gè)粒子假定為粒子其中任意一個(gè)粒子假定為粒子q0q0上的力，由上的力，由矢量和給定：矢量和給定：nFFFFF3210其中，例如，F(xiàn)3是電荷q3作用在粒子q0上的力。221rqqkF 2211/1067. 6kgNmG引力常數(shù)引力常數(shù)【例】假設(shè)一個(gè)男孩【例】假設(shè)一個(gè)男孩(60kg)(60kg)帶有帶有1 1庫(kù)侖的電庫(kù)侖的電荷，一個(gè)女孩荷，一個(gè)女孩(40kg)(40kg)帶有帶有1 1庫(kù)侖的電荷。當(dāng)庫(kù)侖的電荷。當(dāng)他們間隔一個(gè)足球場(chǎng)的長(zhǎng)度（他們間隔一個(gè)足球場(chǎng)的長(zhǎng)度（100100米時(shí)米時(shí), ,牛頓52922110910011109rqkqF噸928 . 91

8、095)(106 . 110040601067. 611211221NrmmGF【例】【例】 氫原子中質(zhì)子和電子間的距離約為氫原子中質(zhì)子和電子間的距離約為0.530.53埃，這兩粒子間的電力和萬(wàn)有引力各為埃，這兩粒子間的電力和萬(wàn)有引力各為多大？多大？m1053. 0A53. 010oeprNmCCmN8210219229220101 . 81053. 0)106 . 1)(/109(41reFeNmkgkgkgmN22472102731112107 . 3)1053. 0()107 . 1)(101 . 9)(/107 . 6(rmmGFpeg3910 geFF電力電力引力：引力： 庫(kù)侖定律應(yīng)

9、用于量子物理學(xué)的結(jié)構(gòu)中時(shí)，它正確描述了：（a原子中原子核束縛電子的力；（b把原子結(jié)合在一起形成分子的力；（c把原子或分子結(jié)合在一起從而形成固體或液體的力。N8101 . 8eF【例】【例】 假設(shè)鐵原子核中兩個(gè)質(zhì)子相距假設(shè)鐵原子核中兩個(gè)質(zhì)子相距 4.0X10-15m4.0X10-15m，問(wèn)這兩質(zhì)子之間有多大的庫(kù)，問(wèn)這兩質(zhì)子之間有多大的庫(kù)侖斥力？侖斥力？m100 . 415ppr核力或強(qiáng)相互作用核力或強(qiáng)相互作用NmCCmN14100 . 4)106 . 1)(/109(41215219229220reFp強(qiáng)力強(qiáng)力電磁力電磁力弱力弱力引力引力場(chǎng)的觀點(diǎn)：電荷之間的相互作用是通過(guò)電場(chǎng)傳遞的，或者說(shuō)電荷周

10、圍存在電場(chǎng)。2 電場(chǎng) (Electric Field)空間某處的電場(chǎng)強(qiáng)度，定義為該點(diǎn)單位正電荷所受的電場(chǎng)力電場(chǎng)強(qiáng)度定義電場(chǎng)強(qiáng)度：0qFE 電力線電力線 (Electric field line ) (Electric field line )1) 1)任一點(diǎn)處的切線方向給出該任一點(diǎn)處的切線方向給出該點(diǎn)處點(diǎn)處E E的方向；的方向；2)2)垂直于場(chǎng)線單位橫截面積上垂直于場(chǎng)線單位橫截面積上電力線的數(shù)目表示電力線的數(shù)目表示E E的大??；的大??； 為使電場(chǎng)形象化，法拉第用為使電場(chǎng)形象化，法拉第用電力線來(lái)描繪電場(chǎng)電力線來(lái)描繪電場(chǎng)電偶極子電偶極子一對(duì)等量正點(diǎn)電荷一對(duì)等量正點(diǎn)電荷Electric dipole

11、 電場(chǎng)線遠(yuǎn)離正電荷發(fā)源之處并朝向負(fù)電電場(chǎng)線遠(yuǎn)離正電荷發(fā)源之處并朝向負(fù)電荷終止之處延伸荷終止之處延伸電勢(shì)差電壓電勢(shì)差電壓electric potential difference or electric potential difference or voltagevoltage 某一點(diǎn)的電勢(shì)，是該點(diǎn)與電勢(shì)零點(diǎn)的電某一點(diǎn)的電勢(shì)，是該點(diǎn)與電勢(shì)零點(diǎn)的電勢(shì)差。通常在電路中，選擇地球?yàn)榱汶妱?shì)。勢(shì)差。通常在電路中，選擇地球?yàn)榱汶妱?shì)。 把一單位電荷由點(diǎn)把一單位電荷由點(diǎn)ab 的過(guò)程中電的過(guò)程中電場(chǎng)力作的功，叫做這兩點(diǎn)的電勢(shì)差，即場(chǎng)力作的功，叫做這兩點(diǎn)的電勢(shì)差，即qWU 標(biāo)量，單位標(biāo)量，單位 1伏特伏特1焦耳焦

12、耳/庫(kù)侖庫(kù)侖電勢(shì)梯度電勢(shì)梯度 （potential gradient） 在電場(chǎng)中，兩點(diǎn)間的電勢(shì)差與電場(chǎng)在電場(chǎng)中，兩點(diǎn)間的電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)度 E有關(guān)，有關(guān)，對(duì)于平行板間的均勻電場(chǎng)，對(duì)于平行板間的均勻電場(chǎng)，LUEnUnUEn0lim等勢(shì)面法等勢(shì)面法線方向線方向可以定義一個(gè)矢量，它沿著可以定義一個(gè)矢量，它沿著n方向，大小等于。這方向，大小等于。這個(gè)矢量叫做個(gè)矢量叫做U的梯度的梯度(gradient)，用，用U或或gradU表表示。示。 UE電容電容 (electric capacity) (electric capacity)平行板電容器平行板電容器CUQ 22121CUQUW電容器的用途電容器的

13、用途儲(chǔ)存能量，儲(chǔ)存電儲(chǔ)存能量，儲(chǔ)存電荷荷電容器儲(chǔ)存的能量電容器儲(chǔ)存的能量dACr0電容器串、并聯(lián)電容器串、并聯(lián)串聯(lián)：串聯(lián)：iinCCCCC1111121并聯(lián)：并聯(lián)：iinCCCCC21等效電容器總電容）等效電容器總電容） 當(dāng)電勢(shì)差當(dāng)電勢(shì)差U U加在幾個(gè)串聯(lián)的電容器上時(shí)，這些電加在幾個(gè)串聯(lián)的電容器上時(shí)，這些電容器具有相等的電荷容器具有相等的電荷q q。所有電容器的電勢(shì)差之和。所有電容器的電勢(shì)差之和等于所加的電勢(shì)差。等于所加的電勢(shì)差。 當(dāng)電勢(shì)差當(dāng)電勢(shì)差U U加在幾個(gè)并聯(lián)的電容器上時(shí)，該電勢(shì)加在幾個(gè)并聯(lián)的電容器上時(shí)，該電勢(shì)差加到每個(gè)電容器上。差加到每個(gè)電容器上。 電流電流 electric curr

14、ent electric current1、運(yùn)動(dòng)電荷與電流一截孤立銅線中的自由電子以 106m/s 數(shù)量級(jí)的速率作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。電流實(shí)例導(dǎo)線、電氣設(shè)備、雷電、神經(jīng)電流、 顯象管中電子束、芯片、太陽(yáng)風(fēng)、 高能宇宙射線載流子的定向移動(dòng)形成宏觀的電流。 導(dǎo)體中存在大量的可自導(dǎo)體中存在大量的可自由移動(dòng)的帶電粒子由移動(dòng)的帶電粒子 2 2、恒定電流、恒定電流 電量dq在時(shí)間dt內(nèi)通過(guò)一橫截面積，則電流強(qiáng)度定義為： 極短時(shí)間后，電子流動(dòng)達(dá)到恒定值，于是電流處于穩(wěn)恒狀態(tài)。iiiiidtdqi tidtdqq01安培1庫(kù)每秒3 3、基爾霍夫節(jié)點(diǎn)定律、基爾霍夫節(jié)點(diǎn)定律I3I2I1S0321III0 iI對(duì)于恒定電流

15、，有對(duì)于恒定電流，有流出為負(fù)流出為負(fù),流入為正流入為正電流的方向電流的方向 下圖所示為電路的一部分。在右下方導(dǎo)線下圖所示為電路的一部分。在右下方導(dǎo)線中電流的大小和方向?yàn)楹?？中電流的大小和方向?yàn)楹?？慣例，電流箭頭沿正載流子運(yùn)動(dòng)的方向。A1A3A2A4A2A2i3A5A2A6A8A例水以例水以 450cm3/s 450cm3/s 的體積流量的體積流量 dV/dt dV/dt 流流過(guò)塑膠水管，負(fù)電荷的電流有多大？過(guò)塑膠水管，負(fù)電荷的電流有多大？解：關(guān)鍵點(diǎn)，每秒鐘通過(guò)的分子數(shù)來(lái)表示解：關(guān)鍵點(diǎn)，每秒鐘通過(guò)的分子數(shù)來(lái)表示電流電流edtdni10ANMdtdVdtdn)1(dtdVMeNiA/10Asmmo

16、lkgmkgmolC736312319104 . 2/10450/018. 0/10001002. 6106 . 110電阻、電阻率與歐姆定律電阻、電阻率與歐姆定律IUR 通過(guò)器件的電流正比于加到該器件上的電勢(shì)差。電阻電阻 resistance resistance歐姆定律歐姆定律 Ohm Ohms laws law 當(dāng)一導(dǎo)電器件的電當(dāng)一導(dǎo)電器件的電阻與所加電勢(shì)差大小和阻與所加電勢(shì)差大小和極性無(wú)關(guān)時(shí)，該器件遵極性無(wú)關(guān)時(shí)，該器件遵守歐姆定律。守歐姆定律。RUI 電阻率隨溫度的變化)(000TT 金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體 superconductor 1911 1911年，荷蘭物理學(xué)家年，荷蘭

17、物理學(xué)家 Kamerlingh Onnes Kamerlingh Onnes 發(fā)現(xiàn)低于發(fā)現(xiàn)低于4K4K的溫度下汞的電阻率完全消失。的溫度下汞的電阻率完全消失。溫度系數(shù)溫度系數(shù) 超導(dǎo)電性于導(dǎo)電性是很不同的。 最好的常規(guī)導(dǎo)體如銅和銀，在任何溫度下都不能變?yōu)槌瑢?dǎo)電，而新的陶瓷超導(dǎo)體當(dāng)不處于低溫超導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)，都是良好絕緣體。SlR電阻率電阻率 resistivity resistivity電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)electromotive force 電源的電動(dòng)勢(shì)：把單位正電荷從負(fù)極通過(guò)電源內(nèi)部移到正極時(shí)，非靜電力所做的功+ RAB電源電源I 電源：提供非靜電力電源：提供非靜電力的裝置。的裝置。K電動(dòng)勢(shì)的正方向：

18、負(fù)極到正極電動(dòng)勢(shì)的正方向：負(fù)極到正極lK d含源電路電勢(shì)差EFDECDBCABAFUUUUUUABCDEFR1I1R2I2 1 3+ + 2FAAFUUUjjiiiAFRIU)()(含源電路的歐姆定律jjiiiAFRIU)()(ABCDEFR1I1R2I2 1 3+ + 2巡視方向巡視方向正負(fù)判斷：沿巡視方向，電壓下降為正正負(fù)判斷：沿巡視方向，電壓下降為正3222111RIRIUAF正負(fù)號(hào)規(guī)定1、標(biāo)明各支路的電流方向；2、當(dāng)電流方向與巡視方向一致時(shí)，IiRi項(xiàng)前 面為加號(hào)，反之為減號(hào)；3、當(dāng)電動(dòng)勢(shì)方向與巡視方向一致時(shí)，i項(xiàng)前 面為減號(hào)，反之為加號(hào)；4、當(dāng)電源的內(nèi)阻r不能忽略時(shí)，把電源等效為 一

19、個(gè)電動(dòng)勢(shì)為 的內(nèi)阻為零的理想電源和 阻值為r的電阻的串聯(lián)。 基爾霍夫方程組基爾霍夫方程組kirchhoff equations1、節(jié)點(diǎn)、支路、回路2、基爾霍夫第一方程組3、基爾霍夫第二方程組4、基爾霍夫方程組解題步驟1、節(jié)點(diǎn)、支路、回路node, branch, loop 節(jié)點(diǎn)：三條或更多條支路的匯集點(diǎn)；ABCDr1r2R 1 2I1I2I3 支路：兩相鄰節(jié)點(diǎn)間的一段電路；支路：兩相鄰節(jié)點(diǎn)間的一段電路； 回路：一個(gè)或多個(gè)支路所組成的閉合電路回路：一個(gè)或多個(gè)支路所組成的閉合電路2、基爾霍夫第一方程組 從節(jié)點(diǎn)流出的電流前面寫(xiě)減號(hào)； 流向節(jié)點(diǎn)的電流前面寫(xiě)加號(hào)。 則匯于節(jié)點(diǎn)的各支路電流的代數(shù)和為零。0

20、iiIn個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，(n1)個(gè)彼此獨(dú)立的電流方程。個(gè)彼此獨(dú)立的電流方程。節(jié)點(diǎn)電流方程組：節(jié)點(diǎn)電流方程組：I3I2I1SABCDr1r2R 1 2I2I3I10321III設(shè)各支路電流方向：設(shè)各支路電流方向：節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)A A：0321III節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)B B：節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)n=2n=2，只有，只有n-1=1n-1=1個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)電流方程個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)電流方程3、基爾霍夫第二方程組0)()(jjiiiRIBCDr1r2R 1 2I1I2I3閉合回路電勢(shì)差為閉合回路電勢(shì)差為0 0支路：支路：P P獨(dú)立節(jié)點(diǎn)方程：獨(dú)立節(jié)點(diǎn)方程：N-1節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)：N N獨(dú)立方程：獨(dú)立方程：P P獨(dú)立回路方程：獨(dú)立回路方

21、程：P-N+13、基爾霍夫第二方程組0222111rIrIABCDr1r2R 1 2I2I11 1、確定節(jié)點(diǎn)、確定節(jié)點(diǎn)2 2、確定支路，設(shè)電流、確定支路，設(shè)電流3 3、選定回路，設(shè)巡視方向、選定回路，設(shè)巡視方向4 4、列獨(dú)立回路的電壓方程、列獨(dú)立回路的電壓方程033222RIrI回路回路BCABBCAB回路回路BADBBADBI34、基爾霍夫方程組解題步驟對(duì)于一個(gè)具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)和p條支路的電路：根據(jù)所得電流值的正負(fù)根據(jù)所得電流值的正負(fù)判斷各支路電流的實(shí)際方向。判斷各支路電流的實(shí)際方向。 確定節(jié)點(diǎn)、支路和回路確定節(jié)點(diǎn)、支路和回路假定各支路電流的正方向和回路的巡行方向；假定各支路電流的正方向和回路的

22、巡行方向；列節(jié)點(diǎn)電流方程列節(jié)點(diǎn)電流方程(n(n1)1)個(gè)；個(gè)；列回路電壓方程列回路電壓方程(p(pn+1) n+1) 個(gè)；個(gè)；對(duì)對(duì)p p個(gè)方程求解，求各支路電流值；個(gè)方程求解，求各支路電流值；例題 惠斯登電橋如圖所示，設(shè)電源電動(dòng)勢(shì) 為已知，電源內(nèi)阻可忽略。求：（1通過(guò)檢流計(jì)的電流強(qiáng)度Ig與 和各臂電阻的關(guān)系；（2電橋平衡的條件。 G R1R3R2R4GABCD R1R3R2R4IgI3I1II2I41、節(jié)點(diǎn)支路和回路、節(jié)點(diǎn)支路和回路4 4節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)，6 6支路支路3 3節(jié)點(diǎn)方程節(jié)點(diǎn)方程3 3回路方程回路方程2、設(shè)電流方向、設(shè)電流方向6、求電流大小，確定實(shí)際方向、求電流大小，確定實(shí)際方向3、節(jié)點(diǎn)

23、電流方程、節(jié)點(diǎn)電流方程5、回路電壓方程、回路電壓方程4、選定回路，設(shè)巡視方向、選定回路，設(shè)巡視方向 電鰻潛伏在南美洲的河流中，它用脈沖電流捕獲魚(yú)類并將其殺死。通過(guò)沿其長(zhǎng)度產(chǎn)生幾百伏的電勢(shì)差，在周?chē)乃?，從其頭部到尾部附近，引起的電流可達(dá)到 1安培。rrrwrrrrrrr起電斑起電斑 150mV25. 0r 如果電鰻周?chē)乃哂须娮枞绻婗犞車(chē)乃哂须娮?，則，則電鰻在水中能生成多大電流？電鰻在水中能生成多大電流？ 800R140140行行50005000個(gè)個(gè) 神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)元神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)元 The nervous system The nervous system and the neu

24、ronand the neuron 神經(jīng)系統(tǒng)的基本結(jié)神經(jīng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是神經(jīng)元。它是專構(gòu)是神經(jīng)元。它是專門(mén)用于電信息的接受、門(mén)用于電信息的接受、譯碼和傳送的神經(jīng)細(xì)譯碼和傳送的神經(jīng)細(xì)胞胞 。 樹(shù)突是專門(mén)用于接收刺樹(shù)突是專門(mén)用于接收刺激信息或來(lái)自其它細(xì)胞的信激信息或來(lái)自其它細(xì)胞的信息的組成部分。軸突可長(zhǎng)到息的組成部分。軸突可長(zhǎng)到1 1米，它輸送電信號(hào)到肌肉、米，它輸送電信號(hào)到肌肉、腺體或其它神經(jīng)元。腺體或其它神經(jīng)元。 靜息電位靜息電位 resting potential resting potential 由于在神經(jīng)元的膜里比膜外存在比由于在神經(jīng)元的膜里比膜外存在比較多的負(fù)離子，每個(gè)神經(jīng)元有跨膜電

25、較多的負(fù)離子，每個(gè)神經(jīng)元有跨膜電位差。我們說(shuō)神經(jīng)元被極化了。標(biāo)準(zhǔn)位差。我們說(shuō)神經(jīng)元被極化了。標(biāo)準(zhǔn)情況下，細(xì)胞內(nèi)比外負(fù)情況下，細(xì)胞內(nèi)比外負(fù)6090mV6090mV，這，這個(gè)電位差稱為靜息電位膜電位）。個(gè)電位差稱為靜息電位膜電位）。 靜息電位(resting potential)：細(xì)胞未受刺激時(shí)存在于細(xì)胞內(nèi)外兩側(cè)的電位差 。 生物膜電位：靜息電位是由于細(xì)胞內(nèi)外液體中離子濃度不同以及細(xì)胞膜對(duì)不同種類離子的通透性不同而引起的，所以又叫生物膜電位能斯特方程N(yùn)ernst equation 能斯特方程描述由于透膜擴(kuò)散而達(dá)到平衡時(shí)膜兩側(cè)電勢(shì)差u與兩側(cè)離子濃度間的關(guān)系ioBoiCCqTkuuulnNCiCoE半

26、透膜半透膜玻爾茲曼常數(shù)，開(kāi)氏溫度玻爾茲曼常數(shù)，開(kāi)氏溫度離子的電量離子的電量神經(jīng)細(xì)胞靜息狀態(tài)細(xì)胞膜細(xì)胞膜細(xì)細(xì)胞胞內(nèi)內(nèi)細(xì)細(xì)胞胞外外ui=-90 mVuo=0K+ 155Na+ 12 Cl 4表示表示K+K+、Na+Na+泵的作用下所引起的遷移泵的作用下所引起的遷移表示由于濃度差所引起的流向表示由于濃度差所引起的流向表示由于膜電位差所引起的流動(dòng)表示由于膜電位差所引起的流動(dòng)K+ 4Na+ 145 Cl 120mol/m3-98mV-90mV66mV電泳電泳electropho-resis 定義：在直流電場(chǎng)中，帶電粒子向帶符號(hào)相反的電極移動(dòng)的現(xiàn)象，用于離子分離分析與濃度檢驗(yàn)。電極電極電極電極緩沖液緩沖液

27、濾紙濾紙 當(dāng)神經(jīng)或肌肉細(xì)胞受一次短促的閾刺激或閾上當(dāng)神經(jīng)或肌肉細(xì)胞受一次短促的閾刺激或閾上刺激而發(fā)生興奮時(shí)，細(xì)胞膜在靜息電位的基礎(chǔ)上會(huì)刺激而發(fā)生興奮時(shí)，細(xì)胞膜在靜息電位的基礎(chǔ)上會(huì)發(fā)生一次迅速而短暫的、可向周?chē)鷶U(kuò)散的電位波動(dòng)，發(fā)生一次迅速而短暫的、可向周?chē)鷶U(kuò)散的電位波動(dòng)，稱為動(dòng)作電位。動(dòng)作電位的主要成份是峰電位。稱為動(dòng)作電位。動(dòng)作電位的主要成份是峰電位。大致過(guò)程：大致過(guò)程：閾刺激閾刺激細(xì)胞部分去極化細(xì)胞部分去極化Na+Na+少量?jī)?nèi)流少量?jī)?nèi)流去極去極化至閾電位水平化至閾電位水平Na+Na+內(nèi)流與去極化形成正反饋內(nèi)流與去極化形成正反饋Na+Na+爆發(fā)性內(nèi)流）爆發(fā)性內(nèi)流）達(dá)到達(dá)到Na+Na+平衡電位膜

28、內(nèi)為平衡電位膜內(nèi)為正膜外為負(fù)）正膜外為負(fù)）形成動(dòng)作電位上升支。形成動(dòng)作電位上升支。膜去極化達(dá)一定電位水平膜去極化達(dá)一定電位水平Na+Na+內(nèi)流停止、內(nèi)流停止、K+K+迅速迅速外流外流形成動(dòng)作電位下降支。形成動(dòng)作電位下降支。例試求神經(jīng)膜的電場(chǎng)強(qiáng)度。已知膜例試求神經(jīng)膜的電場(chǎng)強(qiáng)度。已知膜厚度約為厚度約為150150埃。埃。mVdUE/1061015010906103 這個(gè)數(shù)值足以擊穿干燥空氣引起一個(gè)火花這個(gè)數(shù)值足以擊穿干燥空氣引起一個(gè)火花擊穿場(chǎng)強(qiáng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)3x106 v/m），但擊穿橄欖油需要約），但擊穿橄欖油需要約107伏伏/米的場(chǎng)強(qiáng)。神經(jīng)膜的電場(chǎng)強(qiáng)度并未高到足米的場(chǎng)強(qiáng)。神經(jīng)膜的電場(chǎng)強(qiáng)度并未高到足以

29、擊穿一種自然油。以擊穿一種自然油。例例 人體肌肉的收縮總是伴有電活性的，它以電人體肌肉的收縮總是伴有電活性的，它以電壓脈沖的形式出現(xiàn)，在皮膚表面，其振幅可以達(dá)到壓脈沖的形式出現(xiàn)，在皮膚表面，其振幅可以達(dá)到1mv1mv。這些電脈沖可以在肩和膝之間靠近身體處建。這些電脈沖可以在肩和膝之間靠近身體處建立起約立起約0.8mv/m0.8mv/m的暫時(shí)電場(chǎng)。已知某種鯊魚(yú)對(duì)于電的暫時(shí)電場(chǎng)。已知某種鯊魚(yú)對(duì)于電場(chǎng)變化為場(chǎng)變化為0.1uv/cm0.1uv/cm能起反應(yīng)，如果你正在海洋中游能起反應(yīng)，如果你正在海洋中游泳，試計(jì)算鯊魚(yú)能夠發(fā)覺(jué)你的最大范圍。泳，試計(jì)算鯊魚(yú)能夠發(fā)覺(jué)你的最大范圍。mansharkErE212

30、2280108 . 0mEErsharkman解：場(chǎng)強(qiáng)解：場(chǎng)強(qiáng) 0.1uv/cm=10uv/m=10-2mv/m。對(duì)。對(duì)于一點(diǎn)電荷場(chǎng)源，電場(chǎng)隨于一點(diǎn)電荷場(chǎng)源，電場(chǎng)隨 而降落。所以，而降落。所以，21rmr9心臟搏動(dòng)的電性質(zhì)及其測(cè)量 心臟的搏動(dòng)基本上是由心臟的搏動(dòng)基本上是由一系列有節(jié)奏的心肌收縮一系列有節(jié)奏的心肌收縮組成的。組成的。 心臟的機(jī)械活動(dòng)伴有始心臟的機(jī)械活動(dòng)伴有始于竇房結(jié)的電的活動(dòng)。竇房于竇房結(jié)的電的活動(dòng)。竇房結(jié)稱為起搏點(diǎn)，因?yàn)樗刂平Y(jié)稱為起搏點(diǎn)，因?yàn)樗刂屏诵呐K搏動(dòng)的頻率。電的活了心臟搏動(dòng)的頻率。電的活動(dòng)迅速傳遍整個(gè)心肌，并且動(dòng)迅速傳遍整個(gè)心肌，并且產(chǎn)生電位的改變。此電位改產(chǎn)生電位的

31、改變。此電位改變雖小，但在放置于體表處變雖小，但在放置于體表處的電極間可觀察到。的電極間可觀察到。當(dāng)心肌細(xì)胞由于興奮而進(jìn)入除極過(guò)程，心肌細(xì)胞的極化狀態(tài)發(fā)生變化，正、負(fù)電中心開(kāi)始分離，整個(gè)心肌細(xì)胞就等效于一個(gè)電偶極子。 電極導(dǎo)聯(lián)方式：電極導(dǎo)聯(lián)方式：標(biāo)準(zhǔn)肢導(dǎo)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)肢導(dǎo)聯(lián)左左腕腕LALA）、右腕）、右腕RARA和左腿和左腿LLLL）。）。VIVIVLAVLAVRAVRA，VIIVIIVLLVLLVRAVRA，VIIIVIIIVLLVLLVLAVLA。三種導(dǎo)聯(lián)觀察。三種導(dǎo)聯(lián)觀察到的波形相似而不到的波形相似而不相等。相等。 記錄器上觀察到的作為時(shí)間函數(shù)的電壓變化圖形，稱為心記錄器上觀察到的作為時(shí)間函數(shù)的

32、電壓變化圖形，稱為心電圖電圖electrocardiogramelectrocardiogram，ECG)ECG)。P P波相當(dāng)于心房的興奮，波相當(dāng)于心房的興奮，QRSQRS波是由于心室的興奮。波是由于心室的興奮。T T波是由于心室的復(fù)極化。心房的復(fù)波是由于心室的復(fù)極化。心房的復(fù)極化為極化為QRSQRS波掩蓋。周期為波掩蓋。周期為0.80.8秒。最大電壓約秒。最大電壓約1mv1mv。神經(jīng)膜的電模型 靜息電位的維持相當(dāng)于電池的作用。靜息電位的維持相當(dāng)于電池的作用。在離子電荷流動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)膜電阻。此外，在離子電荷流動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)膜電阻。此外，電荷在二層細(xì)胞膜上的堆積可以模擬為電電荷在二層細(xì)胞膜上的堆積可

33、以模擬為電容效應(yīng)。根據(jù)這些基本因素，一小段神經(jīng)容效應(yīng)。根據(jù)這些基本因素，一小段神經(jīng)或肌肉膜的電模型可由下圖所示的電或肌肉膜的電模型可由下圖所示的電路加以說(shuō)明。路加以說(shuō)明。例例 在動(dòng)作電位通過(guò)期間，在動(dòng)作電位通過(guò)期間，NaNa進(jìn)入神經(jīng)，進(jìn)入神經(jīng)，K K離開(kāi)神經(jīng)。離開(kāi)神經(jīng)。因?yàn)樯仙怯捎谝驗(yàn)樯仙怯捎贜aNa進(jìn)入所致，所以進(jìn)入軸突的離子數(shù)目足進(jìn)入所致，所以進(jìn)入軸突的離子數(shù)目足以產(chǎn)生測(cè)到的膜電位變化。對(duì)于烏賊大軸突而言，以產(chǎn)生測(cè)到的膜電位變化。對(duì)于烏賊大軸突而言，c c1uF/cm21uF/cm2，測(cè)到的電位變化是測(cè)到的電位變化是110mv110mv。求進(jìn)入的。求進(jìn)入的NaNa離子數(shù)，以離子數(shù)，

34、以mol/cm2mol/cm2為為單位，并與測(cè)量值單位，并與測(cè)量值3.7x10-12mol/cm23.7x10-12mol/cm2作比較。作比較。2/1,55,75,55cmFcmvmvmviKNa2736/101 . 1)10110)(101 (厘米庫(kù)侖Q解：解：Na離子將按膜電容離子將按膜電容C對(duì)膜層充電，對(duì)膜層充電，QCV，因此，因此， 此電模型在此電模型在2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代提出，經(jīng)年代提出，經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)基本正確，對(duì)巨大的槍烏賊而實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)基本正確，對(duì)巨大的槍烏賊而言，言，所測(cè)的靜息電壓是所測(cè)的靜息電壓是56mv56mv212231927/102 . 1/106/106 . 1/1

35、01 . 1厘米摩爾摩爾）離子離子）（庫(kù)侖（厘米庫(kù)侖電擊的危險(xiǎn)性電擊的危險(xiǎn)性 電擊對(duì)人體的影響如何，決定于：電擊對(duì)人體的影響如何，決定于：電流的大??；電流的大小； 電流的持續(xù)時(shí)間；電流的持續(xù)時(shí)間； 電流通過(guò)人體的途徑；電流通過(guò)人體的途徑； 電流的種電流的種類與頻率；類與頻率； 人體電阻的高低。人體電阻的高低。 通過(guò)人體的電流強(qiáng)度對(duì)電擊傷害的程度通過(guò)人體的電流強(qiáng)度對(duì)電擊傷害的程度有決定性的作用。有決定性的作用。 通過(guò)人體的電流越大，人體的生理反應(yīng)越明通過(guò)人體的電流越大，人體的生理反應(yīng)越明顯，引起心室顫動(dòng)所需的時(shí)間越短，致命的危險(xiǎn)顯，引起心室顫動(dòng)所需的時(shí)間越短，致命的危險(xiǎn)就越大。就越大。 電流對(duì)人

36、體的影響電流對(duì)人體的影響 對(duì)工頻交流電，下表按數(shù)量級(jí)的近似值總結(jié)對(duì)工頻交流電，下表按數(shù)量級(jí)的近似值總結(jié)了電擊對(duì)人體的影響。了電擊對(duì)人體的影響。電流電流結(jié)果結(jié)果0.52mA感覺(jué)閾感覺(jué)閾210mA有痛感；肌肉收縮有痛感；肌肉收縮16mA不能自行脫離電源不能自行脫離電源525mA因肌肉強(qiáng)力收縮而受傷因肌肉強(qiáng)力收縮而受傷25100mA呼吸麻痹呼吸麻痹13A發(fā)生心室纖維性顫動(dòng)發(fā)生心室纖維性顫動(dòng)3A由于全部心肌去極化引起心跳停止；由于受熱由于全部心肌去極化引起心跳停止；由于受熱而引起組織的嚴(yán)重破壞而引起組織的嚴(yán)重破壞 對(duì)于工頻交流電，按照通過(guò)人體的電流大小不對(duì)于工頻交流電，按照通過(guò)人體的電流大小不同，人體

37、呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，可將電流劃分為三級(jí)：同，人體呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，可將電流劃分為三級(jí)：感知電流：引起人感覺(jué)的最小電流稱為感知電流。感知電流：引起人感覺(jué)的最小電流稱為感知電流。人對(duì)電流最初的感覺(jué)是輕微麻抖和刺痛。人對(duì)電流最初的感覺(jué)是輕微麻抖和刺痛。 擺脫電流：電流大于感知電流時(shí)，發(fā)熱、刺痛的擺脫電流：電流大于感知電流時(shí)，發(fā)熱、刺痛的感覺(jué)增強(qiáng)。電流大到一定程度，觸電者將因肌肉收感覺(jué)增強(qiáng)。電流大到一定程度，觸電者將因肌肉收縮，發(fā)生痙攣而緊抓帶電體，不能自行擺脫電源?？s，發(fā)生痙攣而緊抓帶電體，不能自行擺脫電源。人觸電后能自主擺脫電源的最大電流稱為擺脫電流。人觸電后能自主擺脫電源的最大電流稱為擺脫電流。 致命

38、電流：在較短時(shí)間內(nèi)危及生命的電流稱為致致命電流：在較短時(shí)間內(nèi)危及生命的電流稱為致命電流。電擊致死的主要原因，大都是電流引起心命電流。電擊致死的主要原因，大都是電流引起心室顫動(dòng)造成的。引起心室顫動(dòng)的電流大小與通電時(shí)室顫動(dòng)造成的。引起心室顫動(dòng)的電流大小與通電時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。當(dāng)時(shí)間由數(shù)秒到數(shù)分鐘，通過(guò)電流間的長(zhǎng)短有關(guān)。當(dāng)時(shí)間由數(shù)秒到數(shù)分鐘，通過(guò)電流達(dá)達(dá)3050 mA 3050 mA 時(shí)即可引起心室顫動(dòng)。時(shí)即可引起心室顫動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生磁場(chǎng)方向：用右手螺旋法則來(lái)確定。 正運(yùn)動(dòng)電荷所受最大磁場(chǎng)力的方向Fmax，經(jīng)小于的角轉(zhuǎn)向該電荷運(yùn)動(dòng)方向v，則螺旋前進(jìn)的方向就是該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度

39、的方向。磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)線磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)線SI SI單位：特斯拉單位：特斯拉 1T 1T1N/Am1N/AmqvFBmax常用單位：高斯常用單位：高斯 1G 1G10104T4TqFmaxBvI無(wú)限長(zhǎng)直線電流的磁場(chǎng)無(wú)限長(zhǎng)直線電流的磁場(chǎng)rIB 20 右手定則：把電流元握在右手中，拇指伸直右手定則：把電流元握在右手中，拇指伸直指向電流方向，其余手指自然地沿該電流元指向電流方向，其余手指自然地沿該電流元產(chǎn)生地磁場(chǎng)方向彎曲。產(chǎn)生地磁場(chǎng)方向彎曲。I圓電流的磁場(chǎng)圓電流的磁場(chǎng)II通電螺線管的磁場(chǎng)通電螺線管的磁場(chǎng)nIB0 B洛倫茲力Lorentz forcel 當(dāng)電荷沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛倫茲力為零；l

40、當(dāng)它沿著與磁場(chǎng)垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛倫茲力最大，F(xiàn)max=qvB。qFq0）B（q 0）B（q 0） Fv sinv （2 2左手法則左手法則 左手四指指向左手四指指向v v的方向，讓磁力線垂直通過(guò)掌心的方向，讓磁力線垂直通過(guò)掌心，其拇指方向即為，其拇指方向即為F F方向。方向。洛倫茲力的方向洛倫茲力的方向vBF （1右手螺旋法則 右手四指指向v的方向，沿v經(jīng)小于的角度繞向B，其拇指方向即為F方向。BvF q（1FB始終垂直于帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度， 不做功。洛倫茲力只改變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向，不改變運(yùn)動(dòng)速度的大小。運(yùn)動(dòng)電荷只受洛倫茲力作用時(shí)，將做圓周運(yùn)動(dòng)。（2運(yùn)動(dòng)的電荷在電磁場(chǎng)中，受到的合力為：)(

41、BvEqF洛倫茲力總結(jié)（1v與B垂直，F(xiàn)最大；v與B平行，F(xiàn)0；（2洛倫茲力總是垂直于v、B的平面，所以洛倫茲力 對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功，只改變其運(yùn)動(dòng)方向。（3洛倫茲力的大?。海?洛倫茲力的方向：F SvB; v B，拇指的指 向。負(fù)電荷方向相反。（5在電磁場(chǎng)中，帶電粒子受到的力：sinqvBF )(BvEqF 電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)electromagnetic flowmeter 電磁流量計(jì)是用來(lái)測(cè)量血液流速的儀器。電磁流量計(jì)是用來(lái)測(cè)量血液流速的儀器。設(shè)帶有離子的血液沿直徑為設(shè)帶有離子的血液沿直徑為D的血管中以速的血管中以速度度v運(yùn)動(dòng)，接通電源后，在鐵芯間隙處產(chǎn)生如運(yùn)動(dòng)，接通電源后，在鐵芯間隙處產(chǎn)

42、生如圖所示的磁場(chǎng)。圖所示的磁場(chǎng)。BZYXvIDqvBqE DUE/DBUv U是血管兩端的電勢(shì)差，D是血管直徑。E 電磁泵electromagnetic pump 電磁泵是利用作用在導(dǎo)電液體上的磁力來(lái)運(yùn)送導(dǎo)電液體的一種裝置。將導(dǎo)電液體通以電流I，使電流方向和磁場(chǎng)方向垂直，液體將受到一個(gè)沿管子方向的推力，使其向前運(yùn)動(dòng)。IF B導(dǎo)電液體或血液導(dǎo)電液體或血液在臨床上常用來(lái)輸送血液或其它電解質(zhì)溶液。在臨床上常用來(lái)輸送血液或其它電解質(zhì)溶液。 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性 magnetic materialsmagnetic materials 這是一只青蛙浮這是一只青蛙浮在磁場(chǎng)中的俯視圖，在磁場(chǎng)中的俯視圖，磁場(chǎng)

43、由豎立在青蛙下磁場(chǎng)由豎立在青蛙下面的一個(gè)螺線管中的面的一個(gè)螺線管中的電流產(chǎn)生。螺線管給電流產(chǎn)生。螺線管給青蛙的向上磁力與青青蛙的向上磁力與青蛙的重力平衡。然而蛙的重力平衡。然而青蛙并沒(méi)有磁性。青蛙并沒(méi)有磁性。 那那么，怎么會(huì)對(duì)青蛙有么，怎么會(huì)對(duì)青蛙有一個(gè)磁力呢？一個(gè)磁力呢？磁性材料磁性材料 magnetic materialsmagnetic materials 如果所有原子中電子的軌道和自旋磁矩的如果所有原子中電子的軌道和自旋磁矩的合成產(chǎn)生了一個(gè)凈磁矩，則材料就是磁性的。合成產(chǎn)生了一個(gè)凈磁矩，則材料就是磁性的。一般有三類磁性：抗磁性，順磁性和鐵磁性。一般有三類磁性：抗磁性，順磁性和鐵磁性。2

44、 2、順磁性是一些包含過(guò)渡元素、稀土元素和錒類、順磁性是一些包含過(guò)渡元素、稀土元素和錒類元素的材料所具有的。這種材料的每一個(gè)原子都具元素的材料所具有的。這種材料的每一個(gè)原子都具有一個(gè)永久的合成磁矩。順磁質(zhì)有一個(gè)永久的合成磁矩。順磁質(zhì) paramagnetism paramagnetism1 1、抗磁性是所有普通材料都具有的，但很弱、抗磁性是所有普通材料都具有的，但很弱?？勾刨|(zhì)?？勾刨|(zhì) diamagnetism diamagnetism3 3、鐵磁性是鐵、鎳和其它一些特定的元素的、鐵磁性是鐵、鎳和其它一些特定的元素的特性。鐵磁質(zhì)特性。鐵磁質(zhì) ferromagnetism , ferromagnetism , 磁性材料磁性材料1 1、順磁質(zhì)、順磁質(zhì)3 3 磁介質(zhì)的磁化磁介質(zhì)的磁化分子具有固有磁矩分子具有固有磁矩固有磁矩趨向外磁場(chǎng)方向固有磁矩趨向外磁場(chǎng)方向表面出現(xiàn)束縛表面出現(xiàn)束縛( (磁化磁化) )電流電流 加強(qiáng)磁場(chǎng)加強(qiáng)磁場(chǎng) j B 0B一、磁化的機(jī)制一、磁化的機(jī)制2 2、抗磁質(zhì)、抗磁質(zhì) 分子固有磁矩分子固有磁矩(電子