БИОФИЗИКА Небеснюк О.Ю., Никонова З.А. методические указания к выполнению расчетно-графической работы

Министерство образования и науки Украины
Запорожская государственная инженерная академия
Небеснюк О.Ю., Никонова З.А.
БИОФИЗИКА
методические указания
к выполнению расчетно-графической работы
для студентов специальности
09.0804 «Физическая и биомедицинская электроника»
Запорожье
2003 г.
Министерство образования и науки Украины
Запорожская государственная инженерная академия
БИОФИЗИКА
Методические указания
к выполнению расчетно-графической работы
для студентов специальности 09.0804
«Физическая и биомедицинская электроника»
Биофизика. Методические указания к выполнению расчетнографической работы для студентов специальности 09.0804
«Физическая
и
биомедицинская
электроника»
/
Сост.:
Небеснюк О.Ю., Никонова З.А. – Запорожье: Изд-во ЗГИА, 2003. 64 с.
Составители: Небеснюк О.Ю., асс.
Никонова З.А., проф.
Ответственный за выпуск – зав. каф. ФБМЭ
профессор Швец Е.Я.
1.ТЕРМОДИНАМИКА
Первое начало термодинамики:
Q = ∆U + A
Здесь Q - количество теплоты, переданное системе;
∆U - изменение внутренней энергии системы;
A - работа, совершаемая системой.
Обмен веществ в живых организмах подчиняется этому закону. Определение энергетического обмена между живыми организмами и окружающей средой
осуществляется с помощью калориметрии, которая подразделяется на прямую и
непрямую. Более распространенной является непрямая калориметрия. В этом случае о суммарном тепловом эффекте реакций, протекающих в организме, судят по
калориметрическому коэффициенту кислорода. Он показывает, какое количество
теплоты выделяется при полном окислении данного вещества до углекислого газа
и воды на каждый литр поглощенного организмом кислорода. Установлено, что
этот коэффициент для углеводов равен 20,9, для жиров – 19,7 и для белков –
20,3 кДж. Однако в живом организме идет также синтез веществ, которые затем
могут окисляться. Чтобы учесть общее количество теплоты, освобождаемое живым организмом за определенный промежуток времени, надо учитывать дыхательный коэффициент, равный отношению объемов углекислого газа к потребленному за то же время кислороду. Дыхательный коэффициент для углеродов равен 1, для белков – 0,8 и для жиров он составляет 0,7. Существует связь между
дыхательным и калориметрическим коэффициентами ( таблица 1.1). Это позволяет устанавливать расход энергии организма, зная количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа.
Задача 1. Определите расход энергии человека в состоянии мышечного покоя,
если за 10 минут он выдыхает 60 л воздуха, в котором содержится 15 % кислорода
и 5 % углекислого газа.
Решение: В атмосферном воздухе содержится около 21 % кислорода и 0,03 % уг-
Таблица 1.1
Связь калорического коэффициента 1 л кислорода с дыхательным коэффициентом
Дыха-
К.К.,
Дыха-
К.К.,
Дыха-
К.К.,
Дыха-
К.К.,
тельный кДж
тельный кДж
тельный кДж
тельный кДж
коэф-
коэф-
коэф-
коэф-
фициент
фициент
фициент
фициент
0.70
19,619
0,78
19,996
0,86
20,411
0,94
20,821
0,71
19,636
0,79
20,051
0,87
20,461
0,95
20,871
0,72
19,686
0,80
20,101
0,88
20,515
0,96
20,921
0,73
19,737
0,81
20,151
0,89
20,566
0,97
20,976
0,74
19,791
0,82
20,201
0,90
20,616
0,98
21,026
0,75
19,841
0,83
20,256
0,91
20,666
0,99
21,076
0,76
19,896
0,84
20,306
0,92
20,716
1,00
21,131
0,77
19,946
0,85
20,360
0,93
20,767
-
-
лекислого газа. Следовательно, из каждых 100 мл воздуха, прошедших через легкие человека, организмом поглощается:
21-15= 6 мл О2
При этом выделяется 5 мл СО 2 . Минутный объем дыхания человека равен:
60 л : 10 = 6 л
Для расчета количества кислорода, поглощаемого человеком за минуту, составляем пропорцию:
из 100 мл воздуха потребляется - 6 мл О2
из 6000 мл – x,
следовательно x = 360 мл О 2 .
Дыхательный коэффициент определяем, исходя из данных задачи:
ДК = СО 2 / О 2 = 5/6 = 0,83
Из таблицы 1.1 находим калориметрический коэффициент при данном дыхательном коэффициенте. Он равен 20,26 кДж.
Расход энергии человека в минуту в состоянии мышечного покоя составляет:
0,360·20,26 = 7,29 кДж
За 10 минут энергетический расход составляет 72,9 кДж.
Варианты заданий приведены в таблице 1.2
Таблица 1.2
№ варианта
время, мин
объем, л
содержание
содержание
кислорода, %
углекислого
газа, %
1
10
60
19,56
4
2
10
61
15,65
3,56
3
10
62
20,5
5,2
4
10
63
15,7
5,3
5
10
64
16,52
5,4
6
10
65
14,95
5,5
7
10
66
16
5.6
8
10
67
17
5,7
9
10
68
18
5,8
10
10
65,5
19
5,9
11
9
50
15
6
12
9
51
14
6,1
13
9
51,5
13
6,5
14
9
52
12
7
15
9
53
20
7,1
16
9
54
16,25
5,8
17
9
55
15,85
6,2
18
9
56
15,25
5,2
19
9
57
14,5
5
20
9
58
14,25
5,1
21
15
69
17,52
5,5
22
15
70
17
5,3
23
15
71
18
5,05
24
15
72
19
5,25
25
15
73
15
6,0
26
15
74
14
5,90
27
15
74,5
13
6,6
28
15
75
12
6,9
29
15
76
6,65
30
15
76,5
5,55
З.ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Задача 3. Напряжение сети, питающей медицинский аппарат, равно U=220B. Человек находится на земле (на полу) и касается корпуса аппарата. Сопротивление
тела человека равно R TЧ=1000 Ом. Сопротивление между проводником и человеком
(через землю) равно R ПР =5 кОм. В результате повреждения изоляции проводник соединился на корпус аппарата (произошел «пробой на корпус»). Найдите напряжение, которое будет на теле человека, и протекающий через него ток, если аппарат
не заземлен.
Решение: На рисунке 3.1 представлена общая схема заземления. Если аппарат не
заземлен, то принципиальная схема представлена на рисунке 3.2. Используя закон
Ома, находим ток, протекающий через тело человека;
IТЧ =
U
= 36,7 мА
RПР + RТЧ
Рисунок 3.1 - Общая схема заземления
Рисунок 3.2 - Принципиальная схема
Варианты заданий
Напряжение сети, питающей медицинский аппарат, равно U=220B. Человек находится на земле (на полу) и касается корпуса аппарата. Сопротивление тела человека равно RT Ч = 1000 Ом. Сопротивление между проводником и человеком (через
землю) равно R пр =5 кОм. В результате повреждения изоляции проводник соединился на корпус аппарата (произошел «пробой на корпус»). Найдите напряжение, которое будет на теле человека, и протекающий через него ток, если аппарат заземлен и сопротивление заземления равно Rз. Построить принципиальную схему и сопоставить полученные данные со значениями порога ощутимого и неотпускающего тока.
Вариант
R З , Ом
Вариант
R З , Ом
1
4,0
16
3,8
2
5,0
17
3,9
3
3,0
18
4,3
4
3,2
19
4,4
5
4,1
20
5,4
6
4,2
21
5,5
7
3,7
22
6,0
8
3,6
23
5,6
9
3,5
24
5,7
10
3,4
25
5,8
11
3,45
26
6,1
12
5,2
27
6,2
13
5,3
28
6,3
14
4,5
29
6,5
15
5,1
30
6,4