Контрольная работа по "Физике"

Вариант № 1а.

1. Поверхностное  натяжение. Поверхностно - активные и поверхностно - инактивные  вещества. Явление  капиллярности. Газовая эмболия. Явления смачивания, несмачивания, идеального смачивания, краевой угол. Гидрофильная и гидрофобная поверхности.
2. Потенциал действия кардиомиоцита. Указать какие ионы и в каком направлении переносятся через мембрану кардиомиоцита при различных фазах потенциала действия.
3. Структура ионных каналов. Селективность. Примеры. Физические принципы формирования потенциала действия нервной клетки. (График, характеристики).
4. Звук. Природа звука. Инфразвук, слышимый звук, ультразвук, виды звуков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поверхностное  натяжение. Поверхностно - активные и поверхностно - инактивные  вещества. Явление  капиллярности. Газовая эмболия. Явления смачивания, несмачивания, идеального смачивания, краевой угол. Гидрофильная и гидрофобная поверхности.

 На поверхностях раздела жидкости и ее  насыщенного пара, двух несмешиваемых жидкостей, жидкости и твердого тела возникает сила, обусловленная различными межмолекулярным взаимодействием граничащих сред.

   Каждая молекула, расположенная внутри объема  жидкости, равномерно окружена соседними  молекулами и взаимодействует  с ними, но равнодействующая этих  сил равна нулю. На молекулу  находящуюся вблизи границы двух сред, вследствие неоднородности окружения действует сила, не скомпенсированная другими молекулами жидкости, эти силы стремятся удержать этот  участок в растянутом состоянии. Эти силы направлены вдоль поверхностного слоя и называются силами поверхностного натяжения.

  Поверхностное натяжение  определяется отношением работы, затраченной на создание некоторой  поверхности жидкости при постоянной  температуре к площади этой поверхности:  =А/S.

  На границе  соприкосновения различных сред  может наблюдаться смачивание или несмачивание. Рассмотрим поведение капли жидкости на поверхности другой, несмешивающейся с  ней жидкости  и капли жидкости на поверхности твердого тела (см. рисунки 1, 2, 3).

 

 

 

 

 

 

  На поверхности  раздела каждых двух сред (1 и 3, 2 и 1, 3 и 2) действуют силы поверхностного  натяжения. Если эти силы разделить на длину окружности капли, то получим соответственно 13, 21, 32. Угол θ между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости, отчитываемый через нее, называется  краевым. За меру смачивания принимаем cos θ = ( 32 - 13)/21

 Если  32 > 13 рис.2, т.е. силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами твердого тела и газа, то θ < ¶/2 и жидкость  смачивает твердое тело, поверхность которого в этом  случае  называется гидрофильной. В случае 32 < 13 (рис.3) θ > ¶/2, жидкость не смачивает тела, поверхность его в этом случае  называют гидрофобной.

      Несмачивающая жидкость не протекает  через малые отверстия в твердом  теле. При 32 - 13 = 21 межмолекулярные силы полностью скомпенсированы  θ = нулю. В этом случае равновесие не может наступить и капля растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всей ее поверхности или не образуется мономолекулярный слой. Такой случай является  идеальным смачиванием.

 

 

 

 

 

  Под  действием  сил поверхностного натяжения  поверхностный слой жидкости  искривлен  и оказывает дополнительное  по отношению к внешнему давление  ∆ р. Искривление поверхности  (мениск), в частности, возникает в узких (капиллярных) трубках в результате смачивания  или несмачивания жидкостью их поверхности. При смачивании образуется вогнутый мениск (рис.1).

Силы давления направлены от жидкости наружу, т.е. вверх  и обуславливают подъем жидкости в капилляре. Это равновесное состояние, показанное на рисунке, наступает тогда, когда давление рgh уравновесит ∆р, т.е. зависит от свойств жидкости и материала капилляра, а также от его радиуса. Капиллярные явления определяют условия конденсации паров, кипения жидкостей, кристаллизации и т.п. Так, например, на молекулу пара (рис.2 точка А) над вогнутым мениском жидкости  действует больше молекул жидкости и, следовательно, большая сила, чем при выпуклом мениске. Это хорошо видно на рис.2, на  котором пунктиром условно показана сфера молекулярного действия, а штрихом - объемы жидкости, молекулы которых притягивают выделенную молекулу пара. В результате этого возникает капиллярная конденсация в смачиваемых тонких трубках даже  при сравнительно малой влажности воздуха. Благодаря этому пористые вещества могут задерживать значительное количество жидкости из паров, что приводит к увлажнению белья, ваты в сырых помещениях, затрудняют сушку гигроскопических тел, способствуют удержанию влаги в почве и т.п. наоборот, несмачиваемые  жидкости не проникают в пористые тела. С этим связана, например, непроницаемость для воды перьев птиц, смазанных жиром.

 Рассмотрим  поведение пузырька воздуха, находящегося  в капилляре с жидкостью. Если  давление  жидкости на пузырек  с разных  сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь одинаковый радиус кривизны (рис.а). При избыточном давлении с одной из сторон, например при движении жидкости, мениски деформируются, изменятся их радиусы кривизны (рис.б), дополнительное давление

 

а).                                                                     б).

   

∆р с разных сторон станет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пузырька воздуха (газа), которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут происходить в кровеносной системе человека. Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называется эмболией.

 Поверхностно - активные вещества, вещества способные  адсорбироваться на поверхности раздела двух фаз, понижая ее поверхностное натяжение. К поверхностно - активным  веществам относятся органические соединения с асимметричной молекулярной  структурой, молекулы которых содержат  атомные группы, резко различающиеся характером взаимодействия с окружающей  средой (например, водой). Работа  адсорбции  таких молекул  достаточно велика, чтобы  даже при малой их концентрации  поверхностное натяжение резко  снизилось.     Поверхностно - активные вещества классифицируют  по  характеру диссоциации на анионактивные, катионактивные, неиногеные, амфолитные   и  высокомолекулярные. Типичное анионактивное поверхностно - активное вещество  - жировое мыло, представляющее собой  смесь солей  жирных (карбоновых) кислот  с  длинными  углеводородными цепями. Поверхностно - активные вещества  изменяют поверхностные  свойства веществ  и  применяются в качестве  смачивателей, фтолационных реагентов, пенообразователей, диспергаторов -  понизителей твердости, пластифицирующих добавок, модификаторов кристаллизации и  др.

 

Потенциал действия кардиомиоцита. Указать  какие ионы и в каком направлении  переносятся через мембрану кардиомиоцита  при различных фазах потенциала действия.   

При возбуждении  нервных клеток, клеток мышцы между  внутриклеточной средой и окружающим раствором возникает изменение мембранного потенциала, напоминающее затухающее колебание и называемое потенциалом действия. На мембранах клеток специфической мускулатуры клеток сердца зарождаются электрические импульсы, переходящие на рабочий миокард и вызывающие его сокращения. Мембраны кардиомиоцитов, как и любой возбудимой ткани, поляризованы. В состоянии покоя наружная поверхность их мембран заряжена положительно, внутренняя - отрицательно. Разность потенциалов возникает вследствие разной концентрации Nα⁺ и К⁺ на поверхности и внутри клетки, а также неодинаковой проницаемости мембраны для этих ионов. В состоянии покоя мембрана почти непроницаема для Nα⁺ и частично проницаема для К⁺, который под действием процесса  диффузии выходит из клетки, увеличивая на поверхности мембраны положительный заряд. При этом внутренняя поверхность мембраны приобретает отрицательный заряд. Разность потенциалов в покое - так называемый потенциал покоя мембраны составляет в миокарде теплокровных животных 60-80 мв. Однако обладающие способностью к автоматии клетки специфической мускулатуры отличаются тем, что в состоянии покоя, т.е. без каких бы то ни было внешних воздействий, их мембранный потенциал не остается постоянным. В отличие от волокон сократительного миокарда мембрана этих клеток в диастолу для Nα⁺. Вследствие перемещения этих ионов внутрь  клетки и одновременного снижения проницаемости для К⁺ возникает постепенного уменьшение положительного заряда на поверхности мембраны - развивается так называемая  медленная диастолическая деполяризация. Когда уровень потенциала покоя уменьшится по сравнению с исходным приблизительно на 20 мв, возникает резкое увеличение проницаемости мембраны для Nα⁺, в результате чего Nα⁺ лавинообразно поступает внутрь клетки, вызывая деполяризацию мембраны, -возникает потенциал действия. Этот процесс одинаково имеет место в клетках специфической мускулатуры и рабочего миокарда. В связи с поступлением ионов Nα⁺ в клетку на поверхности мембраны развивается реверсия потенциала, т.е. наружная поверхность мембраны приобретает отрицательный электрический заряд. Амплитуда пика потенциала действия при этом превышает величину потенциала покоя  и достигает 100 мв. и более. Потенциал действия деполяризует мембраны соседних клеток, в результате чего они генерируют собственные потенциалы действия - происходит распространения процесса возбуждения по клеткам миокарда.  

Структура ионных каналов. Селективность. Примеры. Физические принципы формирования потенциала действия нервной клетки. (График, характеристики).

При замене NаСI в растворе, окружающем нервные волокна, на LiСI или хлориды аммония, гидроксиламмония и некоторых других катионов, форма  кривой входящего тока не изменится, изменяется  величина этого тока. Это говорит о том, что натриевые  каналы открываются по прежнему, но вместо Nа⁺ через них снаружи внутрь проходит другой катион: Li⁺ или NH⁺₄; чем выше проницаемость каждого натриевого канала для данного катиона, тем больше будет ток через этот канал. Например, для Li⁺, Nα⁺, К⁺, Rb⁺, Сs⁺ относительная проницаемость натриевых каналов в мембранах аксонов моллюсков характеризуется  рядом: Р_Li : Р_Na : Р_K : Р_Rb: Р_Cs =110 : 100 : 8 : 2,5 :1,7. В мембранах перехвата Ранвье нервных волокон этот ряд выглядит так: Р_Li : Р_Na : Р_K = 94 : 100 : 9. Мы видим, что натриевые каналы в 11 – 12 раз лучше пропускают Nα⁺, чем К⁺. В то же время ряд проницаемостей для К⁺-каналов показывают их калиевую селективность: Р _Li: Р_Na: Р _K: Р_Rb: Р_S =1,8 : 1 : 100 : 91  : 8.

Причину селективности  каналов нужно искать в особенностях их строения. Натриевые каналы, по всей видимости, представляют собой белковые образования. УФ-облучение инактивирует натриевые каналы, причем максимум в спектре действия инактивации лежит при 280 нм, т. е. соответствует максимуму в спектре в поглощения белков. Протеолитические ферменты, такие как проназа, папаин и фицин, ответственен за его инактивацию. По-видимому, белковую природу имеют и калиевые каналы. Рассмотрим строение этих каналов на примере натриевого канала. Согласно современным представлениям, каждый канал состоит по крайней мере из трех участков, различающихся по ширине просвета: наружного устья, селективного фильтра и внутреннего устья; кроме того, имеются устройства, обеспечивающие открывание и перекрывание канала (m- и h-ворота). Селективность канала обеспечивается стерическим  соответствием наиболее узкой части канала и гидратированного иона, а также силой электростатического взаимодействия иона с заряженными группами в области селективного фильтра.   В устья канала могут заходить молекулы некоторых веществ, которые перекрывают просвет и тем самым ингибируют работу канала. К таким соединениям относятся, например, паралитический яд  тетродоксин, который содержится во внутренних органах рыбы-шар и блокирует Nα⁺-каналы. Место, куда входит тетродоксин, расположено на стороне натриевого канала, обращенной наружу, изнутри нервного волокна этот яд не действует. При возбуждении нервных клеток, клеток мышцы и даже клеток водорослей между внутриклеточной средой и окружающим раствором возникает изменение мембранного потенциала, напоминающее затухающее колебание и называемое потенциалом действия. В миелинизированных нервных волокнах потенциал действия  возникает (генерируется) в перехватах Ранвье, а затем передается  от одного перехвата к другому чисто электрическим путем (по тому же механизму, что и передача телеграфных сообщений по электрическому кабелю). В безмиелиновых нервных волокнах каждый участок волокна, воспринимая электрический сигнал от соседних участков нерва, генерирует потенциал действия, который затем распространяется дальше. Мы рассмотрим сначала механизм возникновения потенциала действия в определенном участке нервного волокна, а затем распространение потенциала вдоль нерва.     

         

        Ионные токи, проходящие через мембрану при подаче на нее фиксированного деполяризующего потенциала.

 

1 - суммарный ток (в среде есть Na⁺); 2 - калиевый ток (в среде нет Na⁺); 3 - натриевый ток (кривая 1 минус кривая 2); а - участок открывания; б - участок инактивации каналов; j - плотности тока (А/м²); t - время (мс). Фиксированный потенциал на мембране равен потенциалу покоя минус 56 мВ

 

Звук. Природа звука. Инфразвук, слышимый звук, ультразвук, виды звуков.

Звуковые колебания  и волны - частный случай механических колебаний и волн. Однако в связи с акустических понятий для оценки слуховых ощущений, а также и в связи с медицинскими приложениями целесообразно некоторые вопросы разобрать специально. Принято различать следующие звуки: 1).тоны, или музыкальные звуки; 2).шумы;  3).звуковые удары.

        Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым, а соответствующая плоская звуковая волна. Описывается уравнением

S = Аcos [ω (t-x/v)]. Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Ангормоническому колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, например, камертон, сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т.п. Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2v₀, 3v₀ и т.д. Набор частот с указанием их относительной интенсивности (амплитуды А) называется акустическим спектром. Спектр сложного тона линейчатый, акустический спектр - важная физическая характеристика сложного тона.

       Шумом  называют звук, отличающийся сложной  неповторяющейся временной зависимостью. К шуму  относятся звуки от  вибрации машин, аплодисменты, шорох,  скрип, согласные звуки рези и т.п. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Если попытаться с некоторой степенью условности разложить шум в спектр, то окажется, что этот спектр будет сплошным, например спектр, полученный от шума газовой горелки.

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т.п. Не следует  путать звуковой удар с ударной волной. Энергетической характеристикой звука  как механической волны является интенсивность. На практике для оценки звука удобнее использовать  не интенсивность, а  звуковое давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде. Для плоской волны интенсивность связана со звуковым давлением  зависимостью: I=p²/(2pc), где р - плотность среды; с - скорость звука.