ZESZYT DO ĆWICZEŃ Z BIOFIZYKI

Transkrypt

1 ZESZYT DO ĆWICZEŃ Z BIOFIZYKI Imię i nazwisko:. Kierunek:.. 1

2 Regulamin zajęć dydaktycznych z biofizyki Wydział Lekarski UMB, kierunek lekarsko-dentystyczny Sprawy ogólne 1. Zajęcia dydaktyczne z biofizyki odbywają się w formie wykładów oraz ćwiczeń laboratoryjnych. 2. Obecność na wykładach i ćwiczeniach jest obowiązkowa. 3. Każdą nieobecność na ćwiczeniach należy usprawiedliwić, a ćwiczenie odrobić w terminie ustalonym z asystentem (usprawiedliwieniem może być zwolnienie lekarskie, bądź poświadczone przez Kierownika Zakładu oświadczenie o zaistnieniu wypadku losowego). 4. Liczba realizowanych godzin dydaktycznych wynosi: 13 godzin wykładów i 32 godziny ćwiczeń laboratoryjnych. 5. Ćwiczenia laboratoryjne odbywają się w budynku Zakładu Biofizyki UMB w grupach ćwiczeniowych. 6. Pierwsze zajęcia z ćwiczeń laboratoryjnych przeznaczone są na: - zapoznanie studentów z regulaminem zajęć, - szkolenie BHP, - przydział ćwiczeń grupom studenckim - zajęcia wprowadzające. 7. Na kolejne ćwiczenia laboratoryjne studenci powinni zgłosić się przygotowani do zajęć. W ramach przygotowania należy: Wypożyczyć skrypt Materiały do Ćwiczeń z Biofizyki z Sekretariatu Zakładu Wydrukować Zeszyt do Ćwiczeń z Biofizyki, dostępny na stronie internetowej Zakładu. Zapoznać się z zakresem materiału do samodzielnego przygotowania do ćwiczeń. 8. Polecane podręczniki: Wybrane zagadnienia z biofizyki pod red. prof. S. Miękisza Biofizyka pod red. prof. F. Jaroszyka Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki pod red. prof. S. Przestalskiego Podstawy biofizyki" pod red. prof. A. Pilawskiego 2

3 Ćwiczenia 1. Ćwiczenia podzielone są na 3 działy tematyczne obejmujące po 4 ćwiczenia laboratoryjne i sprawdzian. 2. Warunkiem zaliczenia ćwiczenia jest wykazanie się przez studenta wiedzą teoretyczną z zakresu przygotowanego materiału, prawidłowe przeprowadzenie eksperymentu przez studenta (lub zespół), analiza wyników i przedstawienie ich wraz z wnioskami w formie sprawozdania w Zeszycie do Ćwiczeń z Biofizyki. 3. W przypadku niezaliczenia ćwiczenia należy poprawić je przed terminem pisania sprawdzianu z danego bloku ćwiczeniowego. 4. Dział ćwiczeniowy kończy sprawdzian podsumowujące dany okres nauki. Przystąpić do niego mogą studenci, którzy zaliczyli wszystkie ćwiczenia. 5. Sprawdzian składa się z 2 pytań otwartych z zakresu ćwiczeń oraz jednego pytania otwartego obejmującego materiał omawiany na wykładach. Każde z pytań oceniane jest w skali 0 3 punktów. Wynik sprawdzianu jest ostateczny. 6. W czasie każdego ćwiczenia student może uzyskać 1 dodatkowy punkt za aktywność i wykazanie się ponadprzeciętną wiedzą. 7. Cykl ćwiczeń kończy kolokwium obejmujące 6 pytań z zakresu ćwiczeń (po 2 z każdego działu ćwiczeniowego) i 2 pytań z zakresu materiału omawianego na wykładach. Każde z pytań oceniane jest w skali 0 5 punktów. 8. Końcowa ocena pracy studenta na ćwiczeniach jest sumą punktów uzyskanych za sprawdziany, punktów dodatkowych i punktów za kolokwium. Maksymalna liczba punktów możliwych do zdobycia wynosi: 27(3x9)+12(12x1)+40(8x5)=79 9. Warunkiem zaliczenia z Biofizyki jest zaliczenie wszystkich ćwiczeń i uzyskanie co najmniej 41 punktów. 10. W przypadku uzyskania sumy końcowej mniejszej niż 41 punktów student ma prawo jeden raz przystąpić do ponownego pisania kolokwium. Jeżeli ocena końcowa po dodatkowym kolokwium jest mniejsza niż 41 punktów, to student nie uzyskuje zaliczenia z Biofizyki. 11. W sprawach nie objętych niniejszym regulaminem decyzję podejmuje Kierownik Zakładu. 3

4 SPIS TREŚCI Ćwiczenie nr 1.1. Wyznaczanie stężeń roztworów za pomocą refraktometru i polarymetru.. 7 Ćwiczenie nr 1.2. Pomiar ogniskowej i zdolności skupiającej soczewek Ćwiczenie nr 1.4. Wyznaczanie stężeń roztworów za pomocą spektrofotometru absorpcyjnego...12 Ćwiczenie nr 1.6. Osłabienie wiązki światła laserowego przy przejściu przez ciała stałe. Wyznaczanie współczynnika ekstynkcji...15 Ćwiczenie nr 2.1. Oscyloskop. 19 Ćwiczenie nr 2.2. Biofizyka głosu ludzkiego..23 Ćwiczenie nr 2.4. Elektrokardiografia. 26 Ćwiczenie nr 2.6. Dynamika krążenia krwi podstawy fizyczne..33 Ćwiczenie nr 3.1 Radioaktywność. Pomiar aktywności z użyciem wzorca. Podstawy dozymetrii 37 Ćwiczenie nr 3.2 Oddziaływanie fotonów z materią. Metody doświadczalnego wyznaczanie współczynników osłabienia promieniowania gamma.39 Ćwiczenie nr 3.3 Oddziaływanie cząstek naładowanych z materią.42 Ćwiczenie nr 3.4, 3.5 Pomiary promieniowania jonizującego 44 4

5 ZAGADNIENIA DO ĆWICZEŃ Z OPTYKI Ćwiczenie nr 1.1. Wyznaczanie stężeń roztworów za pomocą refraktometru i polarymetru. 1. Zasada Fermata 2. Zjawisko odbicia, załamania i dyspersji światła. 3. Zasada działania światłowodu, endoskopia. 4. Zasada działania refraktometru. 5. Metody polaryzacji światła. 6. Dwójłomność optyczna. 7. Ciała optycznie czynne. 8. Prawo Malusa. 9. Izomeria optyczna. 10. Zastosowanie polarymetrii w diagnostyce. 11. Metoda najmniejszych kwadratów wyznaczania równania prostej. 12. Stężenia: wagowo-wagowe, wagowo-objętościowe, molowe, normalne. Ćwiczenie nr 1.2. Pomiar ogniskowej i zdolności skupiającej soczewek. 1. Soczewki cienkie. 2. Równanie soczewki, powiększenie soczewki, rodzaje soczewek. 3. Układy soczewek. 4. Ogniskowa i zdolność skupiająca soczewki i układu soczewek. 5. Aberracje soczewek. 6. Budowa układu optycznego ludzkiego oka. 7. Soczewka oka ludzkiego. 8. Akomodacja ludzkiego oka, zakres akomodacji. 9. Zdolność rozdzielcza oka ludzkiego. 10. Energetyka procesu widzenia. 11. Model Younga widzenia barwnego. Ćwiczenie nr 1.4. Wyznaczanie stężeń roztworów za pomocą spektrofotometru absorpcyjnego. 1. Promieniowanie elektromagnetyczne: a. widmo promieniowania elektromagnetycznego, b. źródła promieniowania elektromagnetycznego i sposoby emisji tego promieniowania w zależności od długości fali promieniowania. 2. Model Younga widzenia barwnego. 3. Mechanizm powstawania widm absorpcyjnych. 4. Prawo Bougera-Lamberta. 5. Prawo Beera. 6. Prawo Bougera-Lamberta-Beera. 7. Ekstynkcja i transmisja. 8. Metoda najmniejszych kwadratów wyznaczania równania prostej. 9. Model Bohra budowy atomu wodoru. 10. Budowa atomu swobodnego, atomu w cząsteczce, atomu w ciele stałym. 11. Wpływ promieniowania IR, VIS i UV na organizm człowieka. 12. Mechanizm powstawania widm emisyjnych i absorpcyjnych. 13. Widma liniowe, pasmowe, ciągłe. 14. Zastosowania analizy widmowej. 15. Funkcja logarytmiczna i wykładnicza. 5

6 Ćwiczenie nr 1.6. Osłabienie wiązki światła laserowego przy przejściu przez ciała stałe. Wyznaczanie współczynnika ekstynkcji. 1. Zasada działania lasera. 2. Właściwości światła laserowego. 3. Rodzaje laserów. 4. Zastosowanie laserów w medycynie. 5. Zjawisko dyfrakcji. 6. Siatka dyfrakcyjna. 7. Zjawisko interferencji. 8. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią. 9. Funkcja logarytmiczna i wykładnicza. LITERATURA: Wybrane zagadnienia z biofizyki pod red. prof. S. Miękisza Biofizyka pod red. prof. F. Jaroszyka Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki pod red. prof. S. Przestalskiego Podstawy biofizyki" pod red. prof. A. Pilawskiego 6

7 ĆWICZENIE NR 1.1 Wyznaczanie stężeń roztworów za pomocą refraktometru i polarymetru a) Przygotowanie roztworów. przygotować roztwory cukru w wodzie o stężeniach (wagowo-wagowych) 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, po 50 gramów każdego z roztworów. grupę ćwiczeniową dzielimy na dwie podgrupy. Każda z podgrup przygotowuje roztwór sacharozy (50 gram) o sobie znanym stężeniu x 0. Tutaj wpisz wartość x 0 swojej podgrupy, x 0 =...[%] b) Refraktometr pomiar współczynnika załamania światła przygotowanych roztworów cukru. Nanieść cienką warstwę roztworu na szkiełko refraktometru. Następnie za pomocą śruby obracającej pryzmaty refraktometru ustawić ich położenie w ten sposób, aby w polu widzenia rozgraniczenie pola jasnego i ciemnego wypadało na skrzyżowaniu nici pajęczych. Odczytujemy na skali wartość współczynnika załamania światła w roztworze dla wszystkich przygotowanych roztworów i wody destylowanej, wyniki zapisujemy w tabeli: Tabela 1. Wyniki pomiarów współczynnika załamania n światła dla różnych roztworów sacharozy Stężenie roztworu (%) 0 (woda destylowana) Wartość współczynnika załamania n Na wykresie poniżej nanieś wartości pomiarowe i wykreśl zależność współczynnika załamania światła od stężenia roztworu. 7

8 Wykres 1. Zależność współczynnika załamania od stężenia roztworu sacharozy 1,4 1,39 1,38 1,37 1,36 1,35 1,34 1, stężenie % Dla otrzymanych wartości współczynnika załamania światła w zależności od stężenia roztworu znajdujemy, z wykorzystaniem programu komputerowego, zależność liniową (równanie prostej i współczynnik korelacji). Tutaj wpisz wyniki obliczeń z programu Excel: otrzymane równanie: y =... wartość współczynnika korelacji R 2 =... Następnie dokonujemy pomiaru wartości współczynnika załamania światła roztworu przygotowanego przez drugą podgrupę. Tutaj wpisz zmierzoną wartość współczynnika załamania światła roztworu nieznanego n =... Tutaj wpisz obliczenia stężenie roztworu x przygotowanego przez drugą podgrupę: Tutaj wpisz obliczona wartość stężenia x =...[%] + 8

9 c) Polarymetr pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła. Napełniamy roztworem rurkę polarymetryczną badanym roztworem. Sprawdzamy zero polarymetru, tj. znajdujemy punkt na skali odpowiadający obrazowi o wszystkich elementach w polu widzenia jednakowo zabarwionych odpowiada to położeniu skali w którym wartości 0 na obu skalach pokrywają się. Przy tym ustawieniu płaszczyzny polaryzacji polaryzatora i analizatora pokrywają się. Umieszczamy rurkę polarymetryczną w tubusie polarymetru. Po włożeniu rurki z roztworem stwierdzamy, że środkowa część pola widzenia zmieniła zabarwienie. Roztwór cukru zawarty w rurce skręcił płaszczyznę polaryzacji światła o pewien kąt i płaszczyzna ta nie jest teraz równoległa do płaszczyzny polaryzacji analizatora. Szukamy nowego położenia na skali odpowiadającego obrazowi o wszystkich elementach w polu widzenia jednakowo zabarwionych. Odczytujemy wartość na skali, to jest właśnie kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Odczytujemy na skali wartość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła w roztworze dla wszystkich przygotowanych roztworów, wyniki zapisujemy w tabel Tabela 2. Wyniki pomiarów kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji dla różnych roztworów sacharozy Stężenie roztworu (%) Wartość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji 0 (woda destylowana) Na wykresie poniżej nanieś wartości pomiarowe i wykreśl zależność kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła od stężenia roztworu. 9

10 Wykres 2. Zależność kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła od stężenia roztworu stężenie % Dla otrzymanych wartości kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła w zależności od stężenia roztworu znajdujemy, wykorzystując program komputerowy, zależność liniową (równanie prostej i współczynnik korelacji). Tutaj wpisz wyniki obliczeń z programu Excel: otrzymane równanie: y =... wartość współczynnika korelacji R 2 =... Następnie dokonujemy pomiaru wartości kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła w roztworze przygotowanym przez drugą podgrupę. Tutaj wpisz zmierzoną wartość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji =... Korzystając z otrzymanej zależności wartości kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła od stężenia roztworu obliczamy stężenie roztworu x przygotowanego przez drugą podgrupę. Tutaj wpisz obliczenia stężenie roztworu x przygotowanego przez drugą podgrupę: Tutaj wpisz: obliczona wartość stężenia x =...[%] Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 10

11 ĆWICZENIE NR 1.2 Pomiar ogniskowej i zdolności skupiającej soczewek przedmiot soczewka ekran źródło światła ława optyczna X Y Po ustaleniu odległości przedmiotu od soczewki regulujemy odległość ekranu od soczewki w celu uzyskania na ekranie ostrego obrazu przedmiotu. Mierzymy wielkości X i Y na ławie optycznej i z równania soczewki wyznaczamy ogniskową soczewki. Czynność tą powtarzamy co najmniej pięciokrotnie zmieniając za każdym razem odległość przedmiotu od soczewki o kilka centymetrów. Następnie, razem z soczewką poprzednio badaną, umieszczamy w oprawce soczewkę rozpraszającą taką, aby ten układ soczewek stanowił soczewkę skupiającą. Ogniskową układu znajdujemy w sposób opisany dla soczewki skupiającej. Wszystkie otrzymane wyniki notujemy w tabelce sporządzonej według niżej podanego wzoru Tabela 1. Wyniki pomiarów odległości przedmiotowej X i odległości przedmiotowej Y X Y f f[m] średnia Z[D] średnia Soczewka skupiająca Układ soczewek Zdolność skupiająca soczewki rozpraszającej Z 2 = Z u Z 1 =. [D] f 2 =. [m] Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 11

12 ĆWICZENIE NR 1.4 Wyznaczanie stężeń roztworów za pomocą spektrofotometru absorpcyjnego. a) Przygotowanie roztworów przygotować roztwory siarczanu miedzi w wodzie o stężeniach 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9% i 10% po 10 ml każdego z roztworów. grupę ćwiczeniową dzielimy na dwie podgrupy. Każda z podgrup przygotowuje roztwór siarczanu miedzi w wodzie (10 ml) o sobie znanym stężeniu x 0. Tutaj wpisz wartość x 0 swojej podgrupy, x 0 =...[%] Zbadać wartości ekstynkcji (absorbancji) światła w 10% roztworze siarczanu miedzi zmieniając długość fali co 10 nm w zakresie widzialnym fal elektromagnetycznych. Wyniki przedstawić w postaci tabeli Tabela 1. Wartość wartości ekstynkcji (absorbancji) światła w 10% roztworze siarczanu miedzi w zależności od długości fali. λ[nm] E λ[nm] E λ[nm] E Wykres 1. Zależność ekstynkcji (absorbancji) światła w roztworze od długości fali. 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, długość fali [nm] Długość fali przy której ekstynkcja (absorbancja) jest maksymalna (ale mniejsza niż zakres pomiarowy spektrofotometru dla specola 1300 maksymalna wartość mierzonej absorbancji = 3) max =...[nm] 12

13 Przy max dokonaj pomiaru ekstynkcji (absorbancji) dla dziesięciu roztworów siarczanu miedzi o stężeniach od 1% do 10%. Wyniki przedstawić w postaci tabeli. Zwróć uwagę na to by każdy pomiar odbywał się w tych samych warunkach, tj. w tej samej wytartej do sucha kuwecie i przy tej samej długości fali. Tabela 2. Wyniki pomiarów ekstynkcji (absorbancji) w roztworach siarczanu miedzi o różnych stężeniach. Nr stężenie roztworu c [%] wartość E Na wykresie poniżej nanieś wartości pomiarowe i wykreśl zależność ekstynkcji (absorbancji) od stężenia roztworu. Wykres 2. Zależność ekstynkcji (absorbancji) od stężenia roztworu. 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, stężenie [%] Dla otrzymanych wartości ekstynkcji (absorbancji) światła w zależności od stężenia roztworu znajdujemy, z wykorzystaniem programu komputerowego, zależność liniową (równanie prostej i współczynnik korelacji). 13

14 Tutaj wpisz wyniki obliczeń z programu Excel: otrzymane równanie: y =... wartość współczynnika korelacji R 2 =... Następnie dokonujemy pomiaru wartości ekstynkcji (absorbancji) światła w roztworze przygotowanym przez drugą podgrupę. Tutaj wpisz zmierzoną wartość ekstynkcji (absorbancji) E =... Korzystając z otrzymanej zależności wartości ekstynkcji (absorbancji) światła od stężenia roztworu obliczamy stężenie roztworu x przygotowanego przez drugą podgrupę. Tutaj wpisz obliczenia stężenie roztworu x przygotowanego przez drugą podgrupę. Tutaj wpisz: obliczona wartość stężenia x =...[%] Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 14

15 ĆWICZENIE NR 1.6 Osłabienie wiązki światła laserowego przy przejściu przez ciała stałe. Wyznaczanie współczynnika ekstynkcji. 1. W pierwszej części ćwiczenia badamy wartość współczynnika α dla różnych substancji. W tym celu należy: a. zmierzyć natężenie światła laserowego bez substancji pochłaniającej, b. zmierzyć natężenie światła laserowego po włożeniu płytki pochłaniającej do statywu, c. zmierzyć grubość płytki i znając wartości I i I o wyznaczyć wartość α. Tabela 1. Wartość współczynnika α dla różnych substancji. materiał d 10-3 [m] I 0 I lni/i 0 [m -1 ] 2. W drugiej części ćwiczenia badamy zależność natężenia światła przechodzącego przez układ od grubości warstwy pochłaniającej. W tym celu należy: a. wybrać zestaw płytek sporządzonych z tego samego materiału, grubość zmierzyć za pomocą mikromierza, b. zmierzyć natężenie światła laserowego bez substancji pochłaniającej, c. umieszczając w statywie coraz większą liczbę płytek (1, 2, 3, 4 itd.) odczytywać za każdym razem wartość natężenia światła docierającego do detektora i wpisać do tabelki, d. uzyskane wyniki zilustrować graficznie na dwóch wykresach: na pierwszym umieszczamy wartości I i d, na drugim lni i d (równanie (1) po logarytmowaniu przyjmuje postać lni = lni o - α d) Z wykresu drugiego odczytać wartość α dla badanego materiału (w jaki sposób?), porównać otrzymaną wartość z wartością otrzymaną w pierwszej części ćwiczenia Tabela 2. Zależność natężenia światła przechodzącego przez układ od grubości warstwy pochłaniającej. Grubość warstwy absorbenta [10-3 m] Bez absorbenta - 1 płytka 2 płytki 3 płytki 4 płytki 5 płytek 6 płytek 7 płytek 8 płytek 9 płytek Wartość natężenia światła I ln I 15

16 Wykres 1. Zależność natężenia promieniowania I od grubości absorbenta I d [mm] Wykres 2. Zależność logarytmu naturalnego natężenia światła laserowego po przejściu przez absorbent od grubości warstwy absorbenta 1100 lni d [mm] 16

17 Dla otrzymanych wartości natężenia światła laserowego (I) po przejściu przez absorbent od grubości warstwy absorbenta (d), wykorzystując program komputerowy Excel, znajdź zależność (równanie krzywej logarytmicznej i współczynnik korelacji). Tutaj wpisz wyniki obliczeń z programu Excel: otrzymane równanie: y =... wartość współczynnika korelacji R 2 =... Na podstawie wykresu 2 i równania krzywej wzorcowej wyznacz wartość współczynnika. =...[m -1 ] Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 17

18 ZAGADNIENIA DO ĆWICZEŃ Z ELEKTROMEDYCYNY Ćwiczenie nr 2.1 Oscyloskop. 1. Elementy elektrostatyki: ładunek elektryczny, dipol elektryczny, pole elektryczne, ruch ładunku w polu elektrycznym, potencjał elektryczny, prąd (znać i rozumieć pojęcia), prawo Ohma, przewodniki I i II rodzaju, dielektryki i ich polaryzacja. 2. Luminescencja i jej rodzaje. 3. Budowa i zasada działania oscyloskopu. 4. Zjawiska wykorzystywane w oscyloskopie. Ćwiczenie nr 2.2 Biofizyka głosu ludzkiego. 1. Dźwięk jako fala mechaniczna: fale w ośrodkach sprężystych (rodzaje fal, mechanizm rozchodzenia się, własności, interferencja fal, fala stojąca, dudnienia, rezonans) fale dźwiękowe, ultradźwięki, infradźwięki metody wytwarzania i własności tych fal (odwrócone zjawisko piezoelektryczne, magnetostrykcja); prędkość fali (prędkość fazowa i grupowa); drgania harmoniczne, składanie drgań harmonicznych równanie fali harmonicznej 2. Cechy dźwięku - fizyczne i psychologiczne oraz związki między nimi amplituda drgań źródła dźwięku, natężenie, częstotliwość, widmo głośność, wysokość, barwa, jednostki pomiaru fizycznych cech dźwięk 3. Narząd mowy i mechanizm fonacji. Ćwiczenie nr 2.4 Elektrokardiografia. 1. Fizyczne podstawy elektrokardiografii (pojęcie dipola elektrycznego i momentu dipolowego, natężenie pola elektrycznego, potencjalna energia elektrostatyczna, potencjał elektryczny; wyznaczanie natężenia pola i potencjału elektrycznego wokół dipola; linie sił pola i linie ekwipotencjalne) Model źródła prądowego, Model dipolowy. 2. Typy odprowadzeń stosowane w ekg. 3. Budowa i rola układu bodźco-przewodzącego serca. 4. Potencjały czynnościowe różnych komórek mięśnia sercowego. komórki roboczej serca, komórki węzła zatokowego (zjawisko powolnej spoczynkowej depolaryzacji). 5. Główny wektor elektryczny serca. 6. Wektokardiografia. Ćwiczenie nr 2.6 Dynamika krążenia krwi podstawy fizyczne. 1. Hydrostatyka: definicja ciśnienia (jednostki), naczynia połączone, prawo Archimedesa i Pascala, prasa hydrauliczna, ciśnienie hydrostatyczne. 2. Równania: ciągłości strumienia cieczy, Bernoulliego, Hagena-Poiseulle a, liczba Reynoldsa. 3. Przepływ laminarny i burzliwy cieczy. Warunki niezbędne do ich powstania. 4. Zasada pomiaru RR metodą osłuchową. 5. Zjawiska fizyczne wykorzystywane przy pomiarze RR metodą osłuchową. 6. Wpływ różnych czynników na wartość ciśnienia tętniczego. LITERATURA: Wybrane zagadnienia z biofizyki pod red. prof. S. Miękisza Biofizyka pod red. prof. F. Jaroszyka Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki pod red. prof. S. Przestalskiego Podstawy biofizyki" pod red. prof. A. Pilawskiego 18

19 ĆWICZENIE NR 2.1 OSCYLOSKOP Cele tematu badawczego: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z oscyloskopem analogowym i cyfrowym oraz ich praktycznymi zastosowaniami. Rozwój wiedzy Powtórzenie wiadomości podstawowych z zakresu elektrostatyki: ładunek elektryczny, zasada zachowania ładunku, prawo Coulomba i warunki jego stosowalności, dipol elektryczny, pole elektryczne i jego własności, ruch ładunku w polu elektrycznym, potencjał elektryczny, prąd, prawo Ohma, przewodniki I i II rodzaju, dielektryki i ich polaryzacja, pojemność, kondensator, budowa atomu. Samodzielne przygotowanie wiadomości na temat: luminescencja i jej rodzaje, budowa i zasada działania oscyloskopu, zjawiska wykorzystywane w oscyloskopie. Odczytywanie i interpretowanie wykresów, schematów, rysunków. Przypomnienie wzorów matematycznych opisujących zjawiska fizyczne. Przeliczanie jednostek, operowanie ułamkami, szacowanie niepewności pomiarowych i ich analiza. Wykorzystanie poznanej wiedzy. Rozwój umiejętności Stosowanie ze zrozumieniem pojęć fizycznych. Umiejętność fachowego wysławiania się i wyrażania swoich opinii. Przeliczanie jednostek, rozwiązywanie równań, wyznaczanie niepewności pomiarowych. Przetwarzanie danych pomiarowych, tworzenie wykresów oraz interpretowanie wyników. Rozwój umiejętności manualnych związanych z obsługa urządzeń elektrycznych. Planowanie i przeprowadzanie eksperymentów i doświadczeń. Gromadzenie i analizowanie, wraz z szacowaniem niepewności pomiarowych, danych pomiarowych. Prezentacja i przetwarzanie danych pomiarowych przedstawionych w formie tabeli lub i wykresów. Analiza i omówienie wyników pomiaru, formułowanie wniosków. Poprawny opis i wyjaśnianie zjawisk fizycznych. Rozwój postaw Umiejętność przekonywania innych do swoich racji, prowadzenia rzeczowej dyskusji. Współpracy w grupie. Weryfikacji zdobytej wiedzy i umiejętności. Kultura techniczna. Przestrzeganie przepisów BHP. Rozwiązywania problemów. Szacunku dla pracy własnej i innych Podejmowania decyzji i kompromisu 19

20 Część doświadczalna Niezbędne przyrządy i materiały: oscyloskop, generator badanych napięć Wykonanie ćwiczenia 1. Zapoznać się z obsługą oscyloskopu 1a. Wskaż pokrętło zmiany podstawy czasu. Odczytaj ustawienie pokrętła podstawy czasu, podaj odczytaną wartość... Jeżeli przy odczytanym ustawieniu podstawy czasu okres badanego przebiegu zajmuje 3 kratki to znaczy że okres tego sygnału wynosi...s. Obliczenia: 1b. Wskaż pokrętło wzmocnienia badanego sygnału. Odczytaj ustawienie pokrętła wzmocnienia, podaj odczytaną wartość... Jeżeli przy odczytanym ustawieniu pokrętła wzmocnienia amplituda sygnału wynosi 2,5 kratki, to znaczy że amplituda badanego napięcia wynosi...v. Obliczenia: 2. Wykreślić obserwowane przebieg, podaj wartości podstawy czasu, wzmocnienia. a. napięcie sinusoidalne napięcie/podziałkę czas/podziałkę 20

21 b. napięcie piłokształtne lub prostokątne napięcie/podziałkę czas/podziałkę 3. Wyznaczyć wielkości charakterystyczne obserwowanych i rysowanych przebiegów: częstotliwość f, okres drgań T, wartość maksymalna U max,. Uzupełnij jednostki. Wykonaj prawidłowe działania (oraz działania na jednostkach) Napięcie T [ ] f [ ] U max [ ] Obliczenia: 21

22 4. Po podłączeniu do wejścia oscyloskopu napięcia sinusoidalnego z generatora, ustawić podstawę czasu w oscyloskopie tak, aby na ekranie otrzymać jeden całkowity przebieg sinusoidalny. Następnie zwiększyć częstotliwość generatora tak, aby na ekranie otrzymać dwa pełne przebiegi. Następnie zwiększyć częstotliwość generatora tak, aby otrzymać na ekranie 3 pełne przebiegi itd. Zestawić te pomiary w tabelce: f 1 = Częstotliwość generatora Ilość okresów Różnica częstotliwości f n - f n-1 f 2 = f 3 = f 4 = f 5 = Wnioski z przeprowadzonej obserwacji na podstawie wyników z tabeli: Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 22

23 ĆWICZENIE NR 2.2 BIOFIZYKA GŁOSU LUDZKIEGO Cele tematu badawczego: Celem ćwiczenia jest porównanie własności subiektywnych i obiektywnych dźwięku oraz przetwarzanie drgań akustycznych na przebiegi elektryczne. Rozwój wiedzy Powtórzenie wiadomości podstawowych z zakresu zjawisk falowych: drgania, fala mechaniczna, długość i prędkość fali, okres i częstość drgań, amplituda. Dźwięk. Przetwarzanie drgań akustycznych na elektryczne. Wykorzystanie poznanej wiedzy. Rozwój umiejętności Stosowanie pojęć i terminów fizycznych. Umiejętność fachowego wysławiania się. Planowanie i przeprowadzanie eksperymentów i doświadczeń. Gromadzenie i analizowanie, wraz z szacowaniem niepewności pomiarowych, danych pomiarowych. Przeliczanie jednostek. Opis fali mechanicznej wykorzystując takie pojęcia jak długość i prędkość fali, częstość i okres, amplituda drgań. Rozwój postaw Umiejętność przekonywania innych do swoich racji, prowadzenia rzeczowej dyskusji. Współpraca w grupie. Weryfikacja zdobytej wiedzy i umiejętności. Szacunek do pracy innych. Kultura technicznej. Przestrzeganie przepisów BHP. Część doświadczalna 1. Celem ćwiczenia jest ustalenie przedziału częstotliwości słyszanych przez poszczególnych studentów, oraz przedziału częstotliwości odbieranego przez słuchaczy za najgłośniejszy. Niezbędne przyrządy: wzmacniacz sygnałów, głośnik. imię dolna granica słyszanych częstotliwości [Hz] górna granica słyszanych częstotliwości [Hz] Przy stałym natężeniu dźwięku zmieniaj powoli częstotliwość. Zauważ jak zmienia się wrażenie głośności Zapisz swoje obserwacje Najgłośniej słyszę dźwięki o częstotliwości od...hz do... Hz. 23

24 2. Celem ćwiczenia jest uwidocznienie na oscyloskopie zmian napięcia wytwarzanych przez mikrofon, które odpowiadają zmianom ciśnienia przy fonacji poszczególnych głosek. Niezbędne przyrządy i materiały: mikrofon, wzmacniacz sygnałów, oscyloskop, kamertony, młoteczek do wzbudzania kamertonów. Wypowiadaj do mikrofonu dźwięki głoski obserwuj ich strukturę widmową na ekranie oscyloskopu. Obserwowany obraz na oscyloskopie przedstawia dla poszczególnych głosek (czy wyrazów) zmiany amplitudy w funkcji czasu. Narysuj strukturę widmową dwóch głosek. widmo głoski... widmo głoski... 24

25 3. Zaobserwuj strukturę widmową dźwięku kamertonu, wyznacz częstotliwość kamertonu. W nawiasy wpisz odpowiednie jednostki. podstawa czasu [ ] ilość kratek w okresie [ ] okres [ ] częstotliwość [ ] Obliczenia: Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 25

26 ĆWICZENIE NR 2.4 ELEKTROKARDIOGRAFIA Cele tematu badawczego: Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z czynnościami elektrycznymi błon biologicznych na podstawie aktywności elektrycznej komórek serca. Celem szczegółowym jest zapoznanie się z techniką badania elektrokardiograficznego, wykonanie elektrokardiogramu i zapoznanie się z podstawami matematycznej analizy otrzymanego zapisu zjawisk elektrycznych. Rozwój wiedzy Powtórzenie wiadomości podstawowych z zakresu elektrostatyki: podstawowe prawa przepływu prądu elektrycznego: ładunek elektryczny, zasada zachowania ładunku, potencjał elektryczny, napięcie elektryczne, natężenie prądu, opór elektryczny; prawo Ohma, prawa Kirchhoffa, pole elektryczne i jego własności, Samodzielne przygotowanie wiadomości na temat: czynności elektryczne błon biologicznych: mechanizm powstawania potencjału spoczynkowego (mechanizmy utrzymujące rozmieszczenie jonów wzdłuż błony komórkowej), mechanizm powstawania i przewodzenia potencjału czynnościowego na przykładzie komórek nerwowych i komórek serca (układ bodźcotwórczo-przewodzący, mechanizmy biofizyczne powstawania i przewodzenia pobudzenia w sercu). Wektor elektryczny serca. Elektrokardiografia: metody rejestracji, elektrokardiogram Wykorzystanie poznanej wiedzy. Rozwój umiejętności Stosowanie ze zrozumieniem pojęć fizycznych. Umiejętność fachowego wysławiania się i wyrażania swoich opinii. Rozwój umiejętności manualnych związanych z obsługa urządzeń elektrycznych. Planowanie i przeprowadzanie eksperymentów i doświadczeń. Gromadzenie i analizowanie, wraz z szacowaniem niepewności pomiarowych, danych pomiarowych. Prezentacja i przetwarzanie danych pomiarowych przedstawionych w formie tabeli lub i wykresów. Analiza i omówienie wyników pomiaru, formułowanie wniosków. Poprawny opis i wyjaśnianie zjawisk fizycznych. Rozwój postaw Umiejętność przekonywania innych do swoich racji, prowadzenia rzeczowej dyskusji. Współpracy w grupie. Weryfikacji zdobytej wiedzy i umiejętności. Kultura techniczna. Przestrzeganie przepisów BHP. Rozwiązywania problemów. Szacunku dla pracy własnej i innych Podejmowania decyzji i kompromisu 26

27 Część doświadczalna Ćwiczenie A Cel: Demonstracja metody pomiaru elektrycznej czynności serca. Niezbędne przyrządy i przybory: aparat EKG, elektrody, oscyloskop. Wykonanie ćwiczenia Sposób podłączenia elektrod, technikę wykonania zapisu przy pomocy aparatu EKG oraz współpracę z oscyloskopem poda asystent. Zadania: 1. Nazwij załamki w przedstawionych zapisach EKG 27

28 2. Wykonać zapis EKG przy prędkości przesuwu papieru 25 mm i 50 mm. Technikę wykonania poda asystent. Miejsce na wklejenie ekg 3. Na podstawie zapisu EKG obliczyć częstość uderzeń serca wszystkimi znanymi metodami (opisz wykonane obliczenia). 28

29 4. Na podstawie zapisu EKG obliczyć określić oś elektryczną serca (opis w części teoretycznej) Odprowadzenie I: Odprowadzenie III Q: Q: R: R: S: S: = = III I I III Kąt wynosi:. Ocena osi elektrycznej serca:.. 29

30 5. Na podstawie zapisu EKG obliczyć: a) czas trwania: odstępu PP (s) i odstępu RR (s) b) czas trwania (wyniki podać w formie tabeli) załamka P norma: 0,04-0,12 s w II odprowadzeniu odcinka PQ norma: 0,04-0,10 s odstępu PQ norma: 0,12-0,20 s zespołu QRS norma: 0,06-0,10 s odstępu QT c norma: wynosi 0,35 0,43 s. Czas trwania odstępu QT: Napisz formułę Bazetta: obliczanie odstępu QT c. Oblicz czas trwania odstępu QT c. załamek P odcinek P-Q odstęp P-Q zespół QRS odstęp QT c odległość w mm (przy prędkości 25 mm/s) czas trwania (s) Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 30

31 Ćwiczenie B Cel: Określenie, w jaki sposób umiarkowane ćwiczenie fizyczne wpływa na zapis. EKG, częstość serca oraz na ilość CO 2 w wydychanym powietrzu. Niezbędne przyrządy i przybory: komputer, ScienceWorkshop TM interfejs, czujnik EKG, czujnik częstości serca, czujnik ph, woda destylowana, roztwory buforów o niskim i wysokim ph, zlewki, słomki. Wykonanie ćwiczenia. Zadania: 1. Na podstawie zapisu EKG przed i po wysiłku obliczyć: a) czas trwania załamka P norma: 0,04-0,12 w II odprowadzeniu odstępu P-Q norma: 0,12-0,20 s zespół QRS norma: 0,06-0,10 s początek załamka P koniec załamka P początek załamka Q koniec załamka S czas (s) przed wysiłkiem czas (s) po wysiłku załamek P odstęp P-Q zespół QRS czas trwania (s) przed wysiłkiem czas trwania (s) po wysiłku b) Obliczyć minimalną, maksymalną, średnią częstość serca przed i po wysiłku oraz odchylenie standardowe (wyniki przedstawić w tabeli). częstość serca (ilość/min) częstość serca (ilość/min) przed wysiłkiem po wysiłku minimalna maksymalna średnia odchylenie standardowe 31

32 c) Obliczyć minimalne, maksymalne, średnie ph roztworu przed i po wysiłku oraz odchylenie standardowe (wyniki przedstawić w tabeli). minimalne maksymalne średnie odchylenie standardowe ph przed wysiłkiem ph po wysiłku Odchylenie standardowe: jest miarą tego jak szeroko wartości są rozproszone od wartości średniej. gdzie: σ 1 N N i1 - odchylenie standardowe N liczba pomiarów x i kolejne wartości pomiarów _ x - średnia arytmetyczna _ 1 x x1 x 2 x 3 N _ x i x x N 2 1 N N i1 x i Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 32

33 ĆWICZENIE NR 2.6 NIEINWAZYJNE METODY POMIARU CIŚNIENIA TĘTNICZEGO KRWI Rozwój wiedzy Powtórzenie wiadomości podstawowych z zakresu hydrostatyki: pojęcie ciśnienia, ciśnienie hydrostatyczne, prawo Archimedesa i Pascala, równania: ciągłości strumienia cieczy, Bernoulliego, Hagena-Poiseulle a, liczba Reynoldsa. Samodzielne przygotowanie wiadomości na temat: przepływ laminarny i burzliwy cieczy- oraz warunki niezbędne do ich powstania. Zasada pomiaru ciśnienia tętniczego krwi metodą osłuchową. Zjawiska fizyczne wykorzystywane przy pomiarze ciśnienia tętniczego krwi metodą osłuchową. Wpływ różnych czynników na wartość ciśnienia tętniczego. Przypomnienie wzorów matematycznych opisujących zjawiska fizyczne. Przeliczanie jednostek. Wykorzystanie poznanej wiedzy. Rozwój umiejętności Stosowanie ze zrozumieniem pojęć fizycznych. Umiejętność fachowego wysławiania się i wyrażania swoich opinii. Przeliczanie jednostek, rozwiązywanie równań, wyznaczanie niepewności pomiarowych. Przetwarzanie danych pomiarowych oraz interpretowanie wyników. Planowanie i przeprowadzanie eksperymentów i doświadczeń. Gromadzenie i analizowanie, wraz z szacowaniem niepewności pomiarowych, danych pomiarowych. Prezentacja i przetwarzanie danych pomiarowych przedstawionych w formie tabel. Analiza i omówienie wyników pomiaru, formułowanie wniosków. Poprawny opis i wyjaśnianie zjawisk fizycznych. Rozwój postaw Umiejętność przekonywania innych do swoich racji, prowadzenia rzeczowej dyskusji. Współpracy w grupie. Weryfikacji zdobytej wiedzy i umiejętności. Kultura techniczna. Przestrzeganie przepisów BHP. Rozwiązywania problemów. Szacunku dla pracy własnej i innych 33

34 Część doświadczalna Cel: Porównanie różnych metod pomiaru ciśnienia tętniczego krwi oraz ocena wpływu grawitacji na RR. Niezbędne przyrządy i materiały: sfigmomanometr, stetoskop, taśma miernicza. Wykonanie ćwiczenia 1. Zmierzyć ciśnienie tętnicze w spoczynku dostępnym metodami osłuchowymi, oscylometryczną, palpacyjną lub fonometryczną. Porównać wyniki. 1 atm = Pa = 760 mmhg 1 mmhg = 133,32 Pa Metoda pomiaru RR RR w mmhg RR w kpa Częstość serca/min osłuchowa oscylometryczna palpacyjna ultradźwiękowa 2. Próba wysiłkowa Martineta. U zdrowych osób po 15 głębokich przysiadach, wykonanych w ciągu 15 s, częstość tętna zwiększa się o 20-30/ min, ciśnienie skurczowe podnosi się o 1,33-3,99 kpa (10-30 mmhg), po czym po 3-5 min następuje powrót do wartości wyjściowych. W stanach upośledzonej sprawności narządu krążenia powysiłkowe przyśpieszenie tętna jest większe, a powrót powolniejszy. Ciśnienie skurczowe może nie wzrastać, a nawet zmniejszać się po wysiłkach. Osoba badana (imię) Wartość RR w spoczynku Wartość RR po wysiłku Częstość serca/min w spoczynku Częstość serca/min po wysiłku 3. Obliczyć ciśnienie w tętnicach mózgu (P MÓZGU ) i stóp (P STOPY ), wykorzystując sfigmomanometr i miarkę wysokości: Napisz zależności pomiędzy ciśnieniami krwi na poziomie stopy, serca i mózgu (wzory) = g = P SERCA [Pa]= h SERCA [m]= h MÓZGU [m]= 34

35 Obliczenia: wyniki RR w kpa RR w mmhg P SERCA P MÓZGU P STOPY Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 35

36 ZAGADNIENIA DO ĆWICZEŃ Z PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Ćwiczenie 3.1 Radioaktywność. Pomiar aktywności z użyciem wzorca. Podstawy dozymetrii. 1. Atom i jego składniki. 2. Przemiany jądrowe. 3. Prawo rozpadu promieniotwórczego, postać analityczna i graficzna (krzywa rozpadu). Stała rozpadu i czas połowicznego rozpadu. 4. Aktywność definicja i jednostki. 5. Rodzaje promieniowania jonizującego. 6. Źródła narażenia na promieniowanie jonizujące. 7. Podstawy dozymetrii: ekspozycja (dawka ekspozycyjna), dawka zaabsorbowana, dawka skuteczna (efektywna). Moc dawki. Ćwiczenie 3.2 Oddziaływanie fotonów z materią. Metody doświadczalnego wyznaczanie współczynników osłabienia promieniowania gamma. 1. Źródła elektromagnetycznego promieniowania jonizującego. 2. Fizyczne skutki oddziaływania promieni gamma z materią: zjawisko fotoelektryczne, efekt Comptona i kreacja par. 3. Prawo osłabienia. Krzywa osłabienia i grubość połowiąca. 4. Liniowy i masowy współczynnik osłabienia. Ćwiczenie 3.3 Oddziaływanie cząstek naładowanych z materią. 1. Rodzaje korpuskularnego promieniowania jonizującego. 2. Absorpcja promieniowania beta. Promieniowanie hamowania (Bremsstrahlung). 3. LET - liniowe przekazywanie energii. Oddziaływanie cząstek jonizacyjnych z materią. 4. Materiały stosowane do zatrzymywania promieniowania alfa, beta oraz neutronów. 5. Wykorzystanie izotopów promieniotwórczych w medycynie diagnostyka i terapia. Ćwiczenie 3.4, 3.5 Pomiary promieniowania jonizującego. 1. Liczniki gazowe. 2. Licznik scyntylacyjny i jego składniki. Rodzaje scyntylatorów. 4. Liczniki półprzewodnikowe. 5. Pomiary energii promieniowania spektrometria gamma. 6. Zastosowanie pomiarów promieniowania jonizującego w diagnostyce medycznej: gamma kamera typu Anger, tomografia komputerowa CT. 7. Losowy charakter rozpadu promieniotwórczego. 8. Odchylenie standardowe i błąd względny. 9. Całkowity błąd pomiaru (z tłem). LITERATURA: Wybrane zagadnienia z biofizyki pod red. prof. S. Miękisza Biofizyka pod red. prof. F. Jaroszyka Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki pod red. prof. S. Przestalskiego Podstawy biofizyki" pod red. prof. A. Pilawskiego 36

37 ĆWICZENIE NR 3.1 RADIOAKTYWNOŚĆ. POMIAR AKTYWNOŚCI Z UŻYCIEM WZORCA. PODSTAWY DOZYMETRII. 1. Zmierz tło naturalne w czasie 5 minut, oblicz szybkość zliczeń pochodzących od tła. N t imp N t =...imp, It... t t min 2. Dokonaj trzykrotnego pomiaru impulsów pochodzących od źródła wzorcowego w czasie t wz = 1 minuta i oblicz szybkość zliczeń bez tła oraz błąd szybkości zliczeń (wyniki pomiarów i wyniki obliczeń wpisz do tabeli 1). Tabela 1 Ilość zliczeń N wz Wartość średnia ilości zliczeń N I N II N N wz 3 III Szybkość zliczeń N wz I wz t wz Szybkość zliczeń bez tła I wz - I t Błąd szybkości zliczeń wzorca wz I t wz wz I t t t I II III [impulsy] [imp min -1 ] 3. Zmierz ilość impulsów pochodzących od źródeł o nieokreślonej aktywności w czasie t p =5 minut i oblicz szybkość zliczeń bez tła oraz błąd szybkości zliczeń. 4. Wyniki pomiarów i wyniki obliczeń wpisz do tabeli 2. Tabela 2 Nr próbki Ilość zliczeń N p Szybkość zliczeń N p I p t p Szybkość zliczeń bez tła I p - I t [impulsy] [imp min -1 ] Błąd szybkości zliczeń Ip It p t t p t 5. Oblicz aktywność każdej próbki, błąd, z jakim została wyznaczona i błąd procentowy. Wyniki umieść w tabeli 3. Ip I t A p A wz I I wz t Aktywność wzorca wynosi A wz = 4000 Bq A wz = 120 Bq Błąd oznaczenia aktywności próbki liczymy za pomocą wzoru: A Ip I wz t Ap p A 2 wz I I I I wz t wz t wz I I p wz I t I t A wz 37

38 Tabela 3 Nr próbki Szybkość zliczeń bez tła I p - I t Aktywność próbki Ip I t A p A wz I I wz t Błąd aktywności A p Błąd procentowy A p A p% 100% A p [imp min -1 ] [Bq] [%] 6. Oblicz liczbę atomów N cezu Cs-137 w próbce wzorcowej. A A N N 7. Oblicz masę cezu Cs-137 w próbce. Masę cezu Cs-137 w próbce wyznaczamy korzystając z zależności: gdzie: m = n N A n liczba moli N A = 6, [mol -1 ] liczba Avogadro jest liczbą atomów w molu. Półokres rozpadu Cs 137 wynosi 30,07 lat, a stała rozpadu = 7, s -1. Jeżeli w próbce jest N atomów cezu, ich masa wynosi: 8. Wyniki obliczeń wpisz do tabeli 4. m Cs 137 N [g] N A Tabela 4 Nr próbki Aktywność próbki [Bq] Liczba atomów (N) Cs 137 w próbce wzorzec Masa atomów Cs 137 w badanej próbce [g] 9. Oblicz wydajność pomiaru aktywności. I % 100[%] =...[%] A Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 38

39 ĆWICZENIE NR 3.2, 3.3 ODDZIAŁYWANIE FOTONÓW Z MATERIĄ. METODY DOŚWIADCZALNEGO WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW OSŁABIENIA PROMIENIOWANIA GAMMA. 1. Włącz zestaw pomiarowy, sprawdź napięcie pracy licznika (pod kontrolą asystenta). 2. Zmierz tło w czasie 5 minut. Oblicz szybkość zliczeń impulsów pochodzących od tła. I t N t...[impulsów] N 5 t impulsów...[ ] min 3. Umieść źródło promieniowania gamma w detektorze (zachowaj tę samą geometrię podczas wszystkich pomiarów). 4. Zmierz częstość zliczeń pochodzących od źródła nie przesłoniętego w czasie 1 minuty (wykonaj trzy pomiary i oblicz średnią arytmetyczną). Wyniki przedstaw w tabeli Wyznacz ilość impulsów pochodzących od źródła przesłoniętego, zwiększając liczbę krążków absorpcyjnych w kolejnych pomiarach. Każdy pomiar wykonaj trzykrotnie w czasie 1 minuty. Oblicz wartości średnie częstości zliczeń i średnią częstość zliczeń bez tła. Oblicz procentowy spadek częstości zliczeń. Wyniki wpisz do tabeli 1. Tabela 1 Grubość przesłony x [10-3 m] Częstość zliczeń I Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 I 1 I 2 I 3 Średnia częstość zliczeń I1 I2 I3 Iśr 3 Średnia częstość zliczeń bez tła I I śr I t Procentowa zmiana częstości zliczeń 0 I% = I/I o 100% [impmin -1 ] % 6. Przedstaw graficznie krzywą osłabienia I(%) = f(x) i wyznacz z wykresu grubość połowiącą d 1/2. 7. Wykonaj ten sam wykres w skali półlogarytmicznej używając programu EXCEL. 39

40 1100 I[%] x [mm] d 1/ 2...[m] 8. Oblicz współczynniki osłabienia i m cynku, (gęstość cynku = 7, kg m -3 ) ln [m ] d 1/ 2 m m...[ ] kg 2 40

41 9. Wyznacz ilość impulsów pochodzących od źródła przesłoniętego różnymi absorbentami. Każdy pomiar wykonaj trzykrotnie w czasie 1 minuty. Wyniki wpisz do tabeli 2. Oblicz wartości średnie częstości zliczeń i średnią częstość zliczeń bez tła. Tabela 2 Rodzaj absorbenta Grubość przesłony x [10-3 m] Częstość zliczeń I Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 I 1 I 2 I 3 Średnia częstość zliczeń I1 I2 I3 Iśr 3 Średnia częstość zliczeń bez tła I I śr I t aluminium [impmin -1 ] ołów cynk plexi 10. Oblicz współczynniki osłabienia zmierzonych absorbentów (liniowe i masowe) oraz grubości połowiące. Wyniki obliczeń zamieść w tabeli 3. Tabela 3 absorbent gęstość [kg m -3 ] I I śr I t [impmin -1 ] [m -1 ] m [m 2 kg -1 ] d 1/2 [m] aluminium 2, ołów 11, cynk plexi 1, Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 41

42 ĆWICZENIE NR 3.3 ODDZIAŁYWANIE CZĄSTEK NAŁADOWANYCH Z MATERIĄ. 1. Włącz zestaw pomiarowy w obecności asystenta. 2. Zmierz tło naturalne w czasie 5 minut, oblicz szybkość zliczeń pochodzących od tła. Nt imp N t =...imp, It... t t min 3. Wykonaj pomiary (czas pomiaru 1 minuta) liczby zliczeń przy nie przesłoniętym źródle oraz źródle przesłoniętym przez różne absorbenty wyniki wpisz do tabeli 1. Tabela1 Rodzaj absorbenta Grubość przesłony Częstość zliczeń Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar 3 I 1 I 2 I 3 Średnia częstość zliczeń I1 I2 I3 Iśr 3 Średnia częstość zliczeń bez tła I I śr I t Brak przesłony Al Cu Celuloid [10-3 m] [impmin -1 ] 0 4. Oblicz wartości współczynnika absorpcji dla odpowiednich absorbentów w/g wzorów: I ln współczynnik liniowy: 1 I m Wyniki obliczeń przedstaw w tabeli 2. d 0 współczynnik masowy: m 2 m kg Tabela 2 Rodzaj absorbenta Gęstość absorbenta Aluminium 2, Miedź 9, Celuloid 1, Liniowy współczynnik absorpcji Masowy współczynnik absorpcji [kg/m 3 ] [m -1 ] [m 2 kg -1 ] 42

43 5. Na podstawie wzoru Price'a (3) oblicz energię promieniowania emitowanego przez użyte źródło. E 22 1 μ mśr E 3 [m 2 kg -1 ] [cm 2 g -1 ] [MeV] 1, 33 mal mcu mcel m mśr Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 43

44 ĆWICZENIE NR 3.4, 3.5 Pomiary promieniowania jonizującego. A) WYZNACZANIE ROZKŁADU CZĘSTOŚCI WYSTĘPOWANIA IMPULSÓW 1. Sprawdź, czy ustawienia zasilacza wysokiego napięcia, analizatora amplitudy i sterownika pracy licznika (napięcie zasilania sondy, czułość, dolny i górny próg dyskryminacji, wzmocnienie liniowe i czas formowania impulsu) są zgodne z podanymi przez asystenta. 2. Włącz zasilanie i wygrzewaj aparaturę przez 10 minut. 3. Umieść preparat promieniotwórczy w osłonnym domku pomiarowym. 4. Wykonaj pomiar liczby zliczeń w czasie 10s. Liczba zliczeń powinna być większa od Wykonaj 10 pomiarów liczby zliczeń w tych samych warunkach. Wyniki zamieść w tabeli 1. Oblicz wartość średnią N i średni błąd kwadratowy. Tabela 1. Nr pomiaru Liczba zliczeń N = = 6. Wykonaj 100 pomiarów, zapisując rezultat każdego z nich (wyniki umieść w tabeli 2). Tabela Uruchom komputer i program do analizy statystycznej. Wpisz wyniki pomiarów z tabeli 1 do pierwszej kolumny arkusza kalkulacyjnego programu. 44

45 Odchylenie standardowe: jest miarą tego jak szeroko wartości są rozproszone od wartości średniej. gdzie: σ 1 N N i1 - odchylenie standardowe N liczba pomiarów x i kolejne wartości pomiarów _ x - średnia arytmetyczna _ 1 x x1 x 2 x 3 N _ x i x x N 2 1 N N i1 x i 8. Wykonaj analizę rozkładu statystycznego otrzymanego ciągu wyników, określ wartość średnią i średnie odchylenie standardowe. Znajdź histogram wyników i porównaj go z teoretyczną krzywą Gaussa. Wartość średnia: N =... Odchylenie standardowe: = Wpisz wyniki pomiarów z tabeli 2 do drugiej kolumny arkusza kalkulacyjnego. 10. Wykonaj analizę rozkładu statystycznego otrzymanego ciągu wyników, określ wartość średnią i średnie odchylenie standardowe. Wydrukuj histogram i porównaj go z teoretyczną krzywą Gaussa. Wartość średnia: N =... Odchylenie standardowe: = Oblicz granice przedziałów ufności 1 i 2 N + =... N - =... N + 2 =... N - 2 = Na wydruku histogramu zaznacz wartość średnią i przedziały ufności 1 i Policz, ile razy wynik pomiaru mieścił się wewnątrz przedziału ufności 1, a ile wewnątrz przedziału ufności 2. Wyniki wpisz do Tabeli Oblicz prawdopodobieństwo uzyskania wyniku w przedziale ufności 1 i 2. Wyniki wpisz do Tabeli 3. 45

46 Tabela 3 N 1σ N 2σ P 1σ = N 1σ /100 P 2σ = N 2σ /100 Tu wklej histogram: Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 46

47 B. WYKONANIE POMIARU ZŁOŻONEGO PRZY OKREŚLONYM CZASIE POMIARU TŁA. 1. Zmierz naturalne tło licznika w czasie 10 minut i oblicz szybkość zliczeń. N t =...[imp.] N t imp. I t min 2. Umieść preparat promieniotwórczy w domku osłonnym. 3. Wykonaj pomiary liczby zliczeń w czasie: 0.1, 0.25, 0.5, 1, 2 i 5 minut. Dla każdego z pomiarów policz: szybkość zliczeń I, błąd statystyczny szybkości zliczeń I oraz błąd względny szybkości zliczeń ε I i błąd procentowy ε I%. Wyniki pomiarów umieść w tabeli. t p N p Np Ip t p I = I p - I t I ε I ε I% [min] [impulsy] [imp min -1 ] [%] 0,1 0,25 0, Sporządź wykres funkcji ε I% = f(t p ) w skali liniowej wykorzystując program EXCELL. Data Imię i Nazwisko wykonującego ćwiczenie Podpis prowadzącego ćwiczenia 47

48 Masa spoczynkowa elektronu 31 m e 9,1110 kg MeV 0, u 0,51 2 c Jednostka masy atomowej 27 u 1,6610 kg MeV 931,5 2 c Ładunek elektronu 19 e 1,6 10 C Masa spoczynkowa protonu 27 m p 1,67 10 kg MeV 1, u 938 c 2 Prędkość światła w próżni 8 m c s Liczba Avogadro 23 1 N A 6,02 10 mol Masa spoczynkowa neutronu 27 m p 1,6810 kg MeV 1, u 940 c 2 Stała Plancka 34 h 6,62 10 Js 48