医学物理学：08第五章 波动(三)
医学物理学-波动光学课件
03
光子能量
与光子频率成正比，与介 质折射率有关。
光子作用截面
表示光子与原子或分子相 互作用面积的物理量。
光子作用力
光子与原子或分子相互作 用时产生的力，可导致原 子或分子发生位移或转动 。
07
医学影像技术概述
X线影像技术
X线影像技术概述
X线是一种穿透性强的电磁波，能够被记录并形成人体内 部结构的影像。
椭圆偏振
电场矢量在传播过程中不断改变其振幅大小和相 位，并且旋转方向也在不断改变。
偏振光在介质中的传播特性
反射和折射
当偏振光遇到介质表面时，部分光会被反射，部分光会进入 介质中并继续传播。反射光和折射光的偏振状态与入射光的 偏振状态相同。
双折射
当光线穿过某些晶体或生物组织时，会分解为两种偏振方向 相互垂直的偏振光，即寻常光和非寻常光。这种现象被称为 双折射。
05
光的散射
散射现象
散射现象
光在传播过程中，遇到不均匀 、微小的介质（如大气中的尘 埃、悬浮颗粒等）时，会发生
改变传播方向的现象。
散射的微观机制
光与介质中的粒子发生碰撞，导 致光的传播方向发生改变。
散射的分类
根据散射机制的不同，散射可分为 瑞利散射和米氏散射。
散射的定量描述
01
02
03
散射系数
描述介质散射能力的物理 量。
瑞利判据
在一定条件下，瑞利散射 的散射系数与波长四次方 成反比。
米氏判据
在一定条件下，米氏散射 的散射系数与波长和粒子 半径之比有关。
散射在医学影像中的应用
01
X射线散射成像
利用X射线在介质中发生散射的原理，可实现对人体内部结构的成像
医学物理第五章 波动
机械波传播特征
几何描述
波面 波前
振动相位相同的点连成的面。 最前面的波面。
波前 波面 波线
平面波（波面为平面的波） 球面波（波面为球面的波）
波线（波射线） 波的传播方向。在各向同性媒质中， 波线恒与波面垂直。
波长周期波速
波传播方向
波速
波长 周期 频率 波速
振动状态完全相同的相邻两质点之间的距离。
幅 A1.0m，T2.0s，2.0m。在 t 0 时坐标
原点处的质点位于平衡位置沿 O y 轴正方向运动 。 求
波函数
解 写出波函数的标准式
yAco2π s([T t x)]
O
y
A
t0 x0
y0,vy0
π 2
t
y(1.0m )cos[2π( t x)π] 2.0s 2.0m2
例
第三节
行波的能量
机械波
本章内容
机械波的产生
波源带动弹性媒质中与其相邻的质点发生振动，振动相继 传播到后面各相邻质点，其振动时间和相位依次落后。
波动现象是媒质中各质点运动状态的集体表现，各质点 仍在其各自平衡位置附近作振动。
横波
质点的振动方向与波的传播方向垂直
抖动一下，产生一个脉冲横波
质点振动方向 波的传播方向
波数
单位长度上波的相位变化。
k 2π
➢ 质点的振动速度，加速度
v y A si n (t [x)]
t
u
a 2 t2 y 2A co (ts[u x) ]
负向波
一般形式
物理意义
若给定某点 P 的
，波动表达式变为 P 点处质点的
P点的
距原点为 处质点振动的初相
若给定
医学物理学题库讲解
复习题第一章刚体转动1名词解释刚体：如果一个物体在外力作用下，它的各部分之间的距离保持不变，或者它的形状和大小都不发生变化，那这个物体被称为刚体力矩：力矩是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向转动惯量：转动惯量是刚体转动惯性的量度，转动惯量越大，刚体的转动惯性就越大进动：一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转，这种现象被称为进动2填空：(1) 刚体转动的运动学参数是角位移、角速度、角加速度。
(2) 刚体转动的力学参数是力矩、转动惯量。
(3) 陀螺在绕本身对称轴旋转的同时，其对称轴还将绕竖直回转，这种回转现象称为进动。
3. 问答：(1) 有一个鸡蛋不知是熟还是生，请你判断一下，并说明为什么？可以根据两者旋转情况的不同加以辨别。
熟鸡蛋内部凝结成固态，可近似为刚体，使它旋转起来后对质心轴的转动量可以认为是不变的常量，鸡蛋内各部分相对转轴有相同的角速度，因桌面对质心轴的摩擦力矩很小，所以熟鸡蛋转起来后。
其角速度减小非常缓慢，可以稳定的旋转相当长时间。
生鸡蛋内部可近似为非均匀分布的流体，使它旋转时，内部各部分状态变化的难易程度不相同，会因为摩擦而使鸡蛋晃荡，转动轴不稳定，转动惯量也不稳定。
使它转动的动能因内部摩擦等因素耗散而不能维持，使转动很快停下来。
(2) 地球自转的角速度方向指向什么方向？作图说明。
绕自转轴自西向东的转动(3) 中国古代用指南针导航，现代用陀螺仪导航，请说明陀螺仪导航的原理。
陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成，基于角动量守恒的理论。
陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。
物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向。
(4) 一个转动的飞轮，如果不提供能量，最终将停下来，试用转动定律解释该现象。
刚体的定轴转动定律为M=Jα。
转动着的飞轮，不供给能量，它只受阻力矩M的作用，角加速度α0，即做减速转动，从而最终停止下来。
第二章物体弹性1. 名词解释：应力：在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。
医学物理学波动光学课件
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目录
• 波动光学基础 • 光的干涉 • 光的衍射 • 偏振光学 • 波动光学在医学物理学中的应用
01
波动光学基础
波动现象的概述
波动现象
波动现象是物理学中常见的现象 之一，涉及振荡、传播和干涉等 特性。在医学物理学中，波动光 学的研究对于医学诊断和治疗具
有重要意义。
波动的分类
根据传播介质和传播方式的不同 ，波动可以分为机械波和电磁波 。机械波以物质粒子为媒介传播 ，而电磁波以光子为媒介传播。
波动的基本特征
波动具有振幅、频率、波长、相 位等基本特征，这些特征在波动
光学中具有重要的作用。
波动光学的基本原理
光波动的基本理论
光波动是波动光学研究的基础，包括光的干涉、衍射和偏 振等现象。这些现象可以通过光的波动理论进行解释和描 述。
05
波动光学在医学物理学 中的应用
X射线的波动性质和医学应用
X射线是一种电磁波，具有波动和粒子二象性，在医学物理学中广泛应用于诊断、治 疗和实验研究。
X射线可以穿透人体部分组织，如肌肉、脂肪等，但不能穿透骨头、金属等硬质物质 。
基于X射线的波动性质，医学物理学发展出了X射线摄影、计算机断层扫描(CT)、核 磁共振(MRI)等多种诊断技术。
干涉仪器的原理和应用
干涉仪器的分类
根据测量方式的不同，干涉仪 器可分为零差干涉仪和非零差
干涉仪。
干涉仪器的原理
干涉仪器利用光的干涉现象测量物 理量，如长度、厚度、折射率等。
干涉仪器的应用
在医学、物理学、化学等领域，干 涉仪器被广泛应用于测量和研究中 。
干涉图样的分析和解释
医用物理学波动光学
用于疾病诊断、治疗监测和生物医 学研究等领域，如血氧饱和度监测 、癌症早期检测等。
03
波动光学在诊断与 治疗中应用
干涉法在医学诊断中应用
1 2 3
相干光干涉测量
利用相干光干涉原理，通过测量干涉条纹的移动 或变形，对生物组织或器官进行高精度、非接触 式的测量。
光学相干层析成像（OCT）
利用低相干干涉原理，获取生物组织内部结构的 二维或三维图像，用于眼科、皮肤科等领域的疾 病诊断。
干涉测量技术
利用光的干涉原理，通过测量干涉条纹的移 动或变形，实现对物体表面形貌或内部结构 的超分辨测量。
非线性光学在生物医学中应用前景
多光子显微镜
利用非线性光学效应，如双光子或三光子吸收，实现深层组织或细 胞的高分辨率成像，为生物医学研究提供有力工具。
光遗传学
结合非线性光学和遗传学技术，通过光控基因表达或细胞功能，实 现对生物体行为的精确调控和研究。
眼前节检查
利用偏振光照射眼前节，观察其房水、晶状体和玻璃体的透明度和 偏振状态，可以判断是否存在炎症、浑浊等病变。
激光治疗原理及实践
激光与生物组织的相互作用
激光照射生物组织时，会产生热效应、光化学效应和机械 效应等相互作用，这些效应可以用于疾病的治疗。
激光治疗原理
根据疾病的类型和严重程度，选择合适的激光参数（如波 长、功率、脉宽等），利用激光与生物组织的相互作用， 达到治疗疾病的目的。
显微镜种类
包括光学显微镜、电子显 微镜等，其中光学显微镜 又可分为透射式、反射式 等。
医学应用
用于观察细胞、组织、微 生物等微观结构，进行疾 病诊断和治疗。
激光在医学领域应用
激光原理
利用受激辐射产生的光放 大现象，具有单色性、方 向性、相干性等特点。
《医学物理学》课件--波动光学
光动力疗法
将激光能量转化为生物刺激，以治疗肿瘤、血管疾病和其他疾病。
激光多普勒测速仪
用于测量血液流速、血管狭窄程度和血管壁的振动等。
Hale Waihona Puke 医学光纤技术01光纤内窥镜
利用光纤传输图像，对内脏进行观察和诊断。
02
光纤传感器
用于监测生物体内的温度、压力、pH值等生理参数。
01
未来波动光学在医学领域的应用将更加广泛和深入，对于疾病的预防、诊断和 治疗将发挥越来越重要的作用。
02
波动光学技术将帮助医生实现更加精准的诊断和治疗，提高医疗效果并改善患 者的生活质量。
03
随着科学技术的不断发展，波动光学在医学领域的应用将进一步推动医学科学 的进步和创新。
THANKS
谢谢您的观看
波动光学的发展趋势和前景
01
未来波动光学的发展将更加多元化，包括在生物医学、光子晶 体、光子芯片、超快光学等多个领域的应用拓展。
02
基于波动光学原理的新型医疗设备和技术不断涌现，将为未来
医学诊疗带来更多可能性。
波动光学与量子物理、信息科学等领域的交叉融合也将为医学
03
领域带来前所未有的创新。
波动光学与医学的未来结合
03
光纤光谱仪
用于检测生物样本中的化学成分，例如血清中的血糖、胆固醇等。
05
结论与展望
波动光学的重要性和意义
1
波动光学作为物理学的重要分支，为医学领域 提供了诸多独特且关键的理论基础和技术手段 。
2
其对于医学影像、光学成像、光谱分析等方面 的应用，极大推动了医学领域的发展。
3
波动光学的重要性不仅在于其基础理论价值， 更在于其在医学临床实践中的广泛应用。
第8版医用物理学课后习题测验答案
5-10 人耳对1000Hz的声波产生听觉的最小声强约为1×10-12W，m-2，试求20℃时空气分子相应的振幅。 (1×10-11m)
5-11 两种声音的声强级相差ldB，求它们的强度之比。 (1．26)
A．S面上的电通量不变；
B．S面上的电通量改变，P点的场强不变；
C．S面上的电通量改变，P点的场强改变；
D．S面上的电通量不变，P点的场强也不变。
习题-1图
9-2 在一橡皮球表面上均匀地分布着正电荷，在其被吹大的过程中，有始终处在球内的一点和始终处在球外的一点，它们的场强和电势将作如下的变化：(B)
习题五 第五章波动
5-1 机械波在通过不同介质时，它的波长、频率和速度中哪些会发生变化?哪些不会改变?
5-பைடு நூலகம் 振动和波动有何区别和联系?
5-3，波动表达式y= Acos[(ω(t-x/u)+ φ]中，x/u表示什么? φ表示什么?若把上式改写成y=Acos[(ωt—ωx/u)+ φ]，则ωx/u表示什么？
习题四 第四章振动
4-1 什么是简谐振动?说明下列振动是否为简谐振动：
(1)拍皮球时球的上下运动。
(2)一小球在半径很大的光滑凹球面底部的小幅度摆动。
4-2 简谐振动的速度与加速度的表达式中都有个负号，这是否意味着速度和加速度总是负值?是否意味着两者总是同方向?
4-3 当一个弹簧振子的振幅增大到两倍时，试分析它的下列物理量将受到什么影响：振动的周期、最大速度、最大加速度和振动的能量。
3-14 设橄榄油的粘度为0．18Pa·s，流过管长为0．5m、半径为1㎝的管子时两端压强差为2×104Pa，求其体积流量。 (8．7×10—4m3·s-1)
医用物理习题集(第五章 波动)
第五章 波动一．目的要求：掌握波的传播规律，理解波函数的物理意义；掌握波的干涉现象和规律；了解声学的基本概念，了解声强级和响度级，了解超声的性质及其医学应用。
二．要点：1．振动在介质中的传播过程称为波动或波，它是一个能量传递的过程。
了解横波，纵波，简谐波，机械波，波线，波前，波阵面，平面波，球面波等概念。
波速u 是波在介质中传播的速度，机械波的速度决定于介质的弹性模量，密度等因素。
波长λ是同一波线上两个相（位）差为2π的点之间的距离（即波线上两个相邻的同相点之间的距离）。
一个完整波通过波线上某点所需的时间称为波的周期T ，周期的倒数称为波的频率ν。
T u λνλ==2．波函数给出了任一质点振动的位移y 、质点的位置x 和时间t 之间的关系。
若处于坐标原点的质点的振动方程为： )t co s (A y ϕω+=0 则沿X 轴正向传播的波，其波函数为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=ϕω)u x t (cos A y 当x 一定时，波函数变为距原点为x 的质点的振动方程；当t 一定时，波函数是t 时刻波线上各质点位移分布图像。
波函数除了上面的表达形式外，还常用以下几种表达形式：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=ϕλπ)x T t (cos A y 2 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=ϕλνπ)x t (cos A y 2 []ϕω+-=)kx t (cos A y ，其中λπ2=k ，称为波数。
可以根据需要选用不同的形式。
注意：当波动沿x 轴负方向传播时，含x 的项前面取正号。
3．在波传播方向上x 处体积元V ∆中t 时刻所具有的动能和势能之和为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-∆=ϕωωρ)u x t (sin VA E 222 其中动能和势能相等：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-∆==ϕωωρ)u x t (sin VA E E P K 22221 能量密度： ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=∆=ϕωωρ)u x t (sin A V E w 222 平均能量密度w 是w 在一个周期内的平均值，2221ωρA w = 4．波的强度I 定义为单位时间内通过与波线垂直的单位面积的平均能量，可导出： 2221ωρuA u w I == 单位：W/m 2 I 实际上是垂直于波线方向上的单位面积内波传播的功率。
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的频率为 观测者观测到的频率为
下面分三种情况来讨论产生多普勒效应的理 论依据。
1. 波源静止，观测者运动 此时 若观测者向着波源运动， 则波以速度
通过观测者。 进而观测者观测到的频率为
频率增大
若观测者离开波源运动，则观测者观测到
的频率为
频率减小
2. 观测者静止，波源运动 此时 若波源向着观测者运动， 则一个周期 T 内，
波源与观测者间的距离缩短了
这样，观察者观察到的波长为 考运动，
S
O 观测的频率为
3. 波源和观测者同时相对介质运动 综合前两种情况，可得观测者观测的频率为
其中，当观测者向着波源运动时， 取正值，反 之取负值；当波源向着观测者运动时， 取正 值，反之取负值。
二、冲击波（shock wave） 当波源的运动速度 超过波速 u 时，前面
推导的关系式不适用。
A
B
经过 t 时间后
这个圆锥面称为马赫锥。 而这个以点波源为顶 点的圆锥形波称为冲击波或马赫波。
小结
声波
声的物理量（声速，声压， 声阻抗， 声强， 强度反（透）射系数）
听觉域（听阈，痛阈）
声强级和响度级 （声强级，响度级） 多普勒效应
多普勒效应 冲击波
在横坐标轴为声波频率，纵坐标轴为声强 的坐标平面内， 由听阈线，痛阈线，20Hz线和 20000Hz线构成的区域称为听觉域。
三、声强级和响度级（intensity level of sound &
loudness level)
1000Hz声波的听阈值
称为
标准参考声强。而任一声波的声强 I 与标准参考
复习
惠更斯原理
波 的
波的叠加原理
干
涉
相干条件
波的干涉 干涉的振幅与初相
干涉加强与干涉减弱的判定
本 次 课 程 内 容
第五节 声 波
引起人的听觉的机械波称为声波。
名称 次声波 声波 超声波
机械波的频率
一、声压和声强(sonic pressure & intensity of sound)
1. 声速 声波的波速称为声速。
即
3. 声阻抗 介质的密度与声速的乘积
记为 即
称为声阻抗，
介质
空气
水 脂肪 脑 肌肉 密质骨 钢
几种介质的密度 密度
介质 空气
几种介质的声阻抗 声阻抗
水 脂肪 脑 肌肉 密质骨 钢
4. 声强 单位时间内，通过垂直于声波传播方向的
单位面积的声波能量称为声强，用 I 来表示， 单位是
可以证明声强的计算公式为
损失的程度。
在垂直入射的条件下，理论上已经证明，有 强度反射系数
强度透射系数
1. 上述计算公式表明强度反射系数和 注 意 强度透射系数仅与两种介质的声阻抗
有关。
2. 两种系数显然满足 并且有
3. 由两种系数的计算公式可以看出：两种介质 的声阻抗相差大，则反射强，透射弱； 声阻抗 相差小，则反射弱，透射强。
将频率不同，但响度相同的听觉域中点连 成线，称为等响曲线。
第六节 多普勒效应
一、多普勒效应（Doppler effect） 由于波源或观测者相对于介质运动，造成了
观测频率与波源频率不同的现象称为多普勒效应。
假设波源和观测者的运动方向与波的传播方
向共线。波源和观测者相对于介质的速度分别为
和
波在该介质中的传播速度为 u ，波源
5. 强度反射系数和强度透射系数 声波在传播过程中，遇到两种声阻抗不同
的介质界面时，会发生反射和折射。
反射波的声强 与入射波的声强 之比
称为强度反射系数，记为
即
透射波的声强 与入射波的声强 之比
称为强度透射系数，记为
即
强度反射系数与强度透射系数分 注 别表明的是反射波与透射波的波强保 意 留的程度，进而也间接地表明了波强
例 如果超声波经由空气传入人体，问进入人 体的声波强度是入射前强度的百分之几？如果经 由蓖麻油传入人体，则进入声波的强度又是入射 前强度的百分之几？（蓖麻油的声阻抗
） 人体声阻抗 ？
解题提示 经由空气传入时，
经由蓖麻油传入时，
二、听觉域（auditory region） 声波能引起人耳的听觉， 不仅与声波的频率
介质
空气
水 脂肪 脑 肌肉 密质骨 钢
几种介质的声速 声速
2. 声压
当声波在介质中传播时，介质的密度相应 地作周期变化，稠密时压强大，稀疏时压强小。 在某一时刻， 某点的此时压强与无声波通过时 的压强之差，称为该点的声压。
若平面简谐波的波函数为
则可以证明，对应的声压 P 的表达式为
而
称为声压幅值（简称声幅），记为
声强的比值的对数（以10为底）称为该声波的声
强级，用 L 来表示，单位是贝尔（B）。即
1贝尔等于10分贝，即 1 B = 10 dB。
人耳对声音强弱的主观感觉称为响度。 响度与声波的频率及声强有关。
以1000Hz的声波响度为标准，划分响度等 级。 规定1000Hz的声波声强级即为响度级，单 位为方（phon）。
有关，而且与声强有关。
对于一个给定的声波频率，有两个特殊声强： 一个是能引起听觉的最低声强，称为听阈；另一 个是能引起听觉的最高声强，称为痛阈。
听阈
痛阈
O 1000Hz的声波
声强
听阈和痛阈随着声波频率的不同而变化。 在图形上显示为听阈和痛阈为随频率变化而变 化的两条曲线，它们分别称为听阈线和痛阈线。