Лабораторная работа № 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Стр 1 из 9Следующая ⇒

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПО НАПРАВЛЕНИЮ 111801.65

«ВЕТЕРИНАРИЯ»

Белгород 2015

УДК 577.3

ББК 28.071

Б 26

Биологическая физика: лабораторный практикум для студентов по направлению подготовки 111801.65 «Ветеринария»/Сост. М.А.Шаршанова, Е.С.Комендантенко.- Белгород.: Изд-во БелГАУ, 2015.- 56с.

Рецензент: доктор биологических наук, профессор кафедры морфологии и физиологии ФГБОУ ВО « Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я.Горина» Р.Ф.Капустин

Лабораторный практикум по биологической физике предназначен для студентов по направлению подготовки 111818.65 «Ветеринария». Включает в себя пять лабораторных работ. Содержит описание экспериментальных установок, методику проведения измерений, порядок выполнения работ, контрольные вопросы, справочные материалы. Лабораторный практикум поможет студентам при подготовке, выполнении и сдаче лабораторных работ по биологической физике.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Лабораторная работа № 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Лабораторная работа № 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ СЕРДЕЧНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Лабораторная работа № 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ТВЁРДЫХ ТЕЛ

Лабораторная работа № 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТАВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

Лабораторная работа № 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА

Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум по биологической физике предназначен для студентов по направлению подготовки 111818.65 «Ветеринария». Включает в себя пять лабораторных работ. В каждой лабораторной работе сформулирована цель экспериментального исследования, представлен перечень приборов и оборудования, необходимый теоретический материал, приведены описания экспериментальных установок и порядок выполнения работы. В конце описания работы даны вопросы, активизирующие самостоятельную деятельность студентов при подготовке к выполнению и защите работ.

При выполнении лабораторных работ студент должен выполнять требования техники безопасности.

Правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ

До начала работ каждый студент должен внимательно ознакомиться с настоящими правилами и расписаться в журнале учета инструктажа по технике безопасности.

Студент обязан выполнять следующие правила:

1. В лаборатории рабочее напряжение переменного и постоянного тока достигает 220 В. При соприкосновении с токоведущими частями это напряжение опасно для жизни. Запрещается касаться токоведущих частей схемы, находящейся под напряжением.

2. Запрещается самостоятельно производить какие-либо включения на главном распределительном щите.

3. Сборка цепи и исправления ней должны производиться при отключенных источниках питания.

4. Включать напряжение без проверки преподавателем собранной схемы запрещается.

5. Прежде чем пользоваться прибором, изучить его устройство и правила пользования им.

6. При обнаружении неисправного оборудования, измерительных приборов, обрывов проводов необходимо об этом доложить руководителю занятий.

7. Соблюдать осторожность у установок с быстродействующими частями. Запрещается касаться вращающихся частей.

8. Избегать попадания на кожу и одежду кислот, щелочей и красящих жидкостей.

9. При эксплуатации лазеров необходимо применять защитные очки со светофильтрами. Должна быть исключена возможность прямого попадания лазерного излучения в глаза.

По всем вопросам обращайтесь к преподавателю или лаборанту. За порчу оборудования студенты несут материальную ответственность.

В лаборатории запрещается находиться в верхней одежде или головных уборах.

Методические указания к выполнению лабораторных работ

1. К выполнению работы необходимо подготовиться до начала
занятия в лаборатории.

2. Кроме описания работы в данном методическом пособии используйте рекомендуемую литературу и конспект лекций.

3. При подготовке полезно продумывать ответы на контрольные вопросы.

4. К выполнению работы допускаются только подготовленные студенты.

5. С возникающими вопросами обращайтесь к преподавателю.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Положения и выводы физики непосредственно связаны с экспериментом. Как и в любой точной науке, в физике результаты экспериментов представляются чаще всего набором некоторых чисел – числовых значений физических величин. Эти числовые значения, входящие в математическую формулу, устанавливают связь между физическими величинами в явлениях природы.

Измерить физическую величину – значит сравнить ее с единицей измерения. Измерение – это последовательность экспериментальных и вычисленных операций, осуществляемых для нахождения значения заданной физической величины. В зависимости от способа получения результата следует различать измерения прямые и косвенные.

При прямых измерениях результат получается непосредственно из измерений самой величины. Например, измерение длины стола линейкой, силы тока – амперметром, напряжения на участке цепи – вольтметром.

При косвенных измерениях результат получается после вычисленных операций, произведенных над результатами прямых измерений. Например, площадь стола можно найти по формуле:

где a и b – длина и ширина стола.

Косвенные измерения значительно сложнее, но они применяются довольно часто, особенно при экспериментальных исследованиях.

Измерения включают в себя следующие элементы:

‑ физический объект (например, цилиндр);

‑ технические средства измерений (например, штангенциркуль и микрометр);

‑ наблюдателя (или регистрирующее устройство), который воспринимает результат измерений.

Истинное значение физической величины абсолютно точно измерить нельзя. При измерении физических величин возникают погрешности измерений. Погрешностями измерений называют отклонения результатов измерений от истинного значения измеряемой величины. Все погрешности принято подразделять на систематические, случайные и промахи.

Промахи (грубые погрешности) возникают вследствие недосмотра наблюдателя или необнаруженной неисправности инструмента (прибора). Промахи исключаются из результатов измерений.

Случайные погрешности обусловлены как несовершенством органов чувств наблюдателя, так и условиями проведения эксперимента. Случайных погрешностей избежать нельзя. Их оценивают по данным многократных наблюдений методами математической статистики. Чем больше измерений сделано, тем ближе значение измеряемой величины к его истинному значению.

Систематические погрешности появляются вследствие неточности приборов и несовершенства методов измерений. Систематические погрешности не зависят от числа измерений. Они остаются постоянными в течение времени проведения эксперимента и могут быть исключены введением поправок.

Итак, систематические погрешности можно устранить или учесть, промахи следует отбросить, а случайные погрешности необходимо учитывать путем специальной математической обработки результатов измерений.

Погрешности приборов

В лабораторных работах метод измерений обычно задан, поэтому из систематических погрешностей учитываются только приборные.

Все приборы и инструменты, используемые для измерений физических величин: амперметр, вольтметр и т.д., характеризуются классом точности и (или) ценой деления. Класс точности K – это обобщенная характеристика прибора, показывающая относительную погрешность прибора выраженную в процентах. Класс точности обозначается числом на шкале прибора: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4. Приборы класса точности 0,1; 0,2; 0,5 применяются для точных измерений и называются прецизионными. В технике применяют приборы классов 1,0; 1,5; 2,5; 4, которые называются техническими. Если на шкале прибора класс точности не указан, то данный прибор внеклассный, то есть имеет большую погрешность измерений.

Абсолютная систематическая погрешность ∆Х_пр прибора

, (1.1)

где – наибольшее значение физической величины, которое может быть измерено по шкале прибора.

Если класс точности прибора не известен, то его абсолютная систематическая погрешность принимается равной половине цены наименьшего деления шкалы:

. (1.2)

Например, при измерении линейкой, наименьшее деление которой 1мм допускается погрешность 0.5мм.

Для приборов, оснащенных нониусом, за приборную принимают погрешность, определяемую нониусом. Для штангенциркуля (рисунок 1.1) – 0.1мм, 0.02 мм или 0.05мм; для микрометра (рисунок 1.3) – 0.01мм.

Штангенциркуль – прибор для наружных и внутренних измерений. Он построен по принципу штанги 1 с основной шкалой, представляющей собой миллиметровую линейку, и подвижной рамки 2 с нониусом 3 (рисунок 1.1). Рамка может передвигаться по штанге. Закрепление рамки на штанге осуществляется с помощью винта 4. Нониус ‑ это вспомогательная шкала штангенциркуля, расположенная на рамке и служащую для отсчета долей миллиметра. В нашей стране стандартизированы штангенциркули с нониусами 0,1; 0,05; и 0,02 мм. Отсчет размеров производится по основной шкале и нониусу.

На рисунке 1.1 представлен штангенциркуль с нониусом 0,05мм. Шкала этого нониуса получена при делении 39 мм на 20 частей. Следовательно, каждое деление нониуса равно 1,95 мм, то есть на 0,05 мм меньше делений основной шкалы. Если расположить нониус ровно так, что первый штрих нониуса совпадет с первым штрихом основной шкалы, то основное деление нониуса отойдет от основного деления шкалы на 0,05 мм. Для получения нониуса с ценой деления 0,1 мм делят 19 мм на 10 частей (19 мм : 10 = 1,9 мм), тогда каждое деление нониуса будет на 0,1 мм меньше, чем 1 мм.

Рисунок 1.1 - Штангенциркуль:

1- штанга со шкалой; 2 – подвижная рамка; 3 – нониус; 4 – винт;

5, 6 – ножки штангенциркуля.

Измеряемый предмет располагают между ножками 5, 6 штангенциркуля и закрепляют винтом 4. Целые значения в миллиметрах отсчитывают по основной шкале от «0» основной шкалы до «0» нониуса. Затем смотрят, какое деление нониуса совпало с делением основной шкалы. Если номер совпавшего деления нониуса умножить на цену деления прибора, то получаются сотые доли миллиметра. Если с делением основной шкалы совпадает нулевое или последнее деления нониуса, то сотых долей не будет.

На рисунке 1.2. представлены измерения штангенциркуля с нониусом 0.05 мм.

размер 6,70 мм

размер 25,30 мм

Рисунок 1.2 – Измерения штангенциркуля с нониусом 0.05 мм

Микрометр – это инструмент, применяемый для точных измерений. Принцип действия микрометра основан на работе винтовой пары, то есть преобразования вращательного движения в поступательное.

В скобе 1 микрометра при вращении барабана 2 перемещается микрометрический винт 3, между торцом которого и пяткой 4 помещают измеряемую деталь (рисунок 1.3). Шаг микрометрического винта равен 0,5 мм, а конусная поверхность барабана разделена на 50 равных частей. Следовательно, поворот барабана на одно деление соответствует перемещению винта на 0,01мм. Вращения барабана нужно производить с помощью трещотки 5, обеспечивающей постоянное усилие на измеряемую деталь. Зажим детали производят, вращая трещотку, до появления первого треска во избежание порчи

инструмента.

Рисунок 1.3 – Микрометр:

1- скоба: 2 – барабан; 3 – микрометрический винт; 4 – пятка;

5 – трещотка; 6 – стебель микрометра со шкалой

На стебле 6 микрометра расположены две шкалы. Деления нижний шкалы нанесены через 1 мм, деления верхней шкалы расположены посередине между штрихами нижней шкалы. По нижней шкале отсчитывают целые миллиметры, а по верхней ‑ половину миллиметра. При измерении встречаются два характерных случая. В первом случае (рисунок 1.4) деления нижний шкалы расположены ближе к барабану, нежели деления верхней шкалы. При этом целые значения миллиметров отсчитываются по нижней шкале, а сотые доли ‑ по барабану. Например, показания инструмента соответствуют размеру 18,04 мм. Во втором случае деление верхней шкалы расположены ближе к барабану, чем деление нижней шкалы. При этом учитываются целые, половинка и сотые доли миллиметра. Например, показания инструмента соответствует размеру 18 целых + половинка 0,50 + 9 сотых, то есть 18,59 мм.

размер 18,04 мм

размер 18,59 мм

Рисунок 1.4 – Измерения микрометра

ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание : измерение объема тела (цилиндра).

1. Штангенциркулем измерить высоту цилиндра h, микрометром – диаметр цилиндра d. Замеры выполнить 5 раза и данные занести в таблицу 1.2.

2. По формуле (1.4) найти среднеарифметические значения размеров тела ‹h› и ‹d›.

3. По формуле (1.5) найти случайные составляющие погрешностей измерений ∆h_сл и ∆d_сл.

4. Найти систематические погрешности измерений ∆h_пр и ∆d_пр (погрешности инструмента).

5. Рассчитать абсолютные суммарные погрешности измерений ∆h и ∆d по формуле (1.6).

6. Результаты всех расчетов занести в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

№	h, м	d, м	∆h_сл, м	∆d_сл, м	∆h_пр,м	∆d_пр,м	∆h, м	∆d, м	‹V›,м³	∆V,м³	δ V,%
1
2
3
4
5
Ср.

7. Вычислить среднее значение объема ‹V› цилиндра по формуле:

8. Определить абсолютную погрешность ∆V косвенных измерений объема тела:

9. По формуле (1.8) найти относительную погрешность измерений δ V.

10. Результаты вычислений объема тела записать в виде:

V = (‹V› ± ∆V) м³.

РАСЧЕТЫ И ВЫВОДЫ:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое измерение? Назовите виды измерений.

2. Какие бывают погрешности и за счет чего они возникают?

3. Что указывает класс точности прибора? Назовите классы точности приборов.

4. Как определить суммарную погрешность прямых измерений?

5. Как определить погрешность косвенных измерений?

6. Что такое относительная погрешность?

7. Как устроены штангенциркуль и микрометр. Как пользоваться этими приборами?

8. Правила округления результатов физического эксперимента.

9. В каком виде следует представлять результаты измерений физических величин?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

В научных исследованиях, включая ветеринарно-биологические, очень часто встречаются многократно повторяющиеся опыты в неизмененных условиях. При этом наблюдаются различные результаты экспериментов и неоднозначность получаемых результатов при сохранении основных условий опыта.Чтобы правильно учитывать отклонения, получаемые при подсчете результатов эксперимента, пользуются специальными разделами математики – теорией вероятностей и математической статистикой. Основными понятиями в теории вероятностей являются понятие события и понятие вероятности события.

Под событием понимается такой результат эксперимента или наблюдения, который при каждой реализации комплекса условий может произойти или не произойти. Если событие при реализации комплекса условий может произойти, а может и не произойти, то оно называется случайным.

Вероятностью Р события A называют отношение числа m исходов, благоприятствующих этому событию, к числу n всех равновозможных исходов

Например, вероятность выпадения «орла» при подбрасывании монеты равна 1/2. Вероятность подчиняется неравенству

В рамках физического практикума студенту чаще всего придется пользоваться дискретной случайной величиной, т.е. такой, если её возможные значения можно пронумеровать.

Одной из характеристик дискретной случайной величины является математическое ожидание, или его еще называют средним значением случайной величины. Математическое ожидание определяется как сумма произведений всех возможных значений случайной величины на их вероятности

Случайная величина характеризуется еще рассеиванием случайной величины от среднего значения (математического ожидания). Это рассеивание характеризуется дисперсией случайной величины и среднеквадратичным отклонением.

Дисперсия определяется по формуле

Среднеквадратическое отклонение есть квадратный корень из дисперсии

. (2.3)

Набор значений случайной величины X, полученных в результате n опытов, называется выборкой объема n. Чтобы результаты измерений представить наглядно, пользуются эмпирическим графиком распределения, называемым гистограммой. Для построения гистограммы весь диапазон полученных значений разбивают на малые интервалы и подсчитывают вероятность попадания случайной величины в данный интервал. При этом по оси ординат откладывают значения вероятности попадания случайной величины в выбранный интервал, а по оси абсцисс – результаты измерений, разбитые на интервалы. При построении получается ступенчатая фигура, состоящая из прямоугольников, число которых равно числу интервалов. Соединив середины верхних концов столбцов, получим график распределения.

Рассмотрим пример построения гистограммы и графика распределения.

Пример: Рассмотрим распределение суточного привеса бычков.

Результаты измерений представим в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Суточный привес бычков в граммах

№ п/п	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
привес (г)	500	900	500	700	400	500	600	700	500	400
№ п/п	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
привес (г)	500	700	800	500	600	500	400	800	500	600

Минимальное значение суточного привеса – 400 граммов.

Максимальное значение – 900 граммов.

Разобьем все значения на 5 интервалов, причем в каждый интервал включаются крайние значения слева, например, в интервал [500, 600) значение 500 включено, а значение 600 нет.

Результаты занесем в таблицу 2.2.

Таблица 2.2.

№ п/п	интервал	середина интервала < >	число попаданий в интервал n_i	вероятность попадания в интервал
1 2 3 4 5	[400, 500) [500, 600) [600, 700) [700, 800) [800, 900)	450 550 650 750 850	3 8 3 3 3	3/20=0.15 8/20=0.4 3/20=0.15 3/20=0.15 3/20=0.15
			20	1

Вычислим математическое ожидание по формуле (2.1):

М(х) = 450·0,15 + 550·0,4 + 650·0,15 + 750·0,15 + 850·0,15 = 625.

По формулам (2.2) и (2.3) вычислим дисперсию и среднеквадратичное отклонение:

σ²(х) = (450 - 625)²·0,15 + (550 - 625)²·0,4 + (650 - 625)²·0,15 +

+ (750 - 625)²·0,15 + (850 – 625)²·0,15 = 16875;

σ(х) = = 130.

По данным таблицы 2.2 строим гистограмму и кривую распределения.

привес, г

100

900

200

400

600

700

800

500

300

Анализируя кривую распределения и данные вычислений, делаем вывод, что средний привес бычков составляет 625 грамм с отклонением от среднего значения, равным 130 граммам.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Каждому студенту подсчитать частоту сердечных сокращений (пульса) в течение одной минуты.

2. Обменяться данными между собой так, чтобы объем выборки (число измерений) был равен 25.

3. Данные представьте в виде таблицы 2.3.

4. Разбейте результаты по интервалам и представьте вычисления в виде таблицы 2.4.

5. Вычислите математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение по формулам (2.1),(2. 2),(2.3).

6. Постройте гистограмму и кривую распределения. Проанализируйте ее.

Таблица 2.3 – Частота сердечных сокращений в минуту

№ п/п	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
число ударов в мин.
№ п/п	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
число ударов в мин.

Таблица 2.4

№ п/п	интервал	середина интервала < >	число попаданий в интервал n_i	вероятность попадания в интервал

РАСЧЕТЫ И ВЫВОДЫ:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется случайным событием?

2. Что такое вероятность случайного события?

3. Как найти математическое ожидание, дисперсию, среднеквадратичное отклонение случайной величины?

4. Как строится гистограмма и кривая распределения?

5. Для чего необходимо производить статистическую обработку результатов в ветеринарно-биологических исследованиях

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические тела.

Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl–, не объединенные попарно в молекулы NaCl (рис. 1). Такие кристаллы называются ионными.

Рисунок 3.1 - Кристаллическая решетка поваренной соли

В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решетка может быть построена путем параллельного переноса (трансляции) элементарной ячейки по некоторым направлениям.

Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно.

Кристаллические решетки металлов часто имеют форму шестигранной призмы (цинк, магний), гранецентрированного куба (медь, золото) или объемно центрированного куба (железо).

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Поликристаллические тела состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами. Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами.

В отличие от монокристаллов, поликристаллические тела изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. Поликристаллическое строение твердого тела можно обнаружить с помощью микроскопа, а иногда оно видно и невооруженным глазом (чугун).

Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и температурах 1500–2000 К.

Структуры кристаллических решеток экспериментально изучаются с помощью дифракции рентгеновского излучения на монокристаллах или поликристаллических образцах.

На рисунке 3.2 приведены примеры простых кристаллических решеток. Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.

Рисунок 3.2 - Простые кристаллические решетки: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рисунке 3.1 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na⁺ и Cl^– . В объемноцентрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.

Кристаллические структуры металлов имеют важную особенность. Положительно заряженные ионы металла, образующие кристаллическую решетку, удерживаются вблизи положений равновесия силами взаимодействия с «газом свободных электронов» (рисунок 3.3). Электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отданных каждым атомом. Свободные электроны способны блуждать по всему объему кристалла.

Рисунок 3.3 - Структура металлического кристалла

В твердых телах – аморфных и кристаллических – частицы (молекулы, атомы, ионы) совершают тепловые колебания около положений равновесия, в которых энергия их взаимодействия минимальна. При увеличении расстояния между частицами возникают силы притяжения, а при уменьшении – силы отталкивания. Силы взаимодействия между частицами обусловливают механические свойства твердых тел.

Деформация твердого тела является результатом изменения под действием внешних сил взаимного расположения частиц, из которых состоит тело, и расстояний между ними.

Существует несколько видов деформаций твердых тел. Некоторые из них представлены на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Некоторые виды деформаций твердых тел: 1 – деформация растяжения; 2 – деформация сдвига; 3 – деформация всестороннего сжатия.

В твердых телах деформация называется упругой, когда после прекращения действия сил деформация полностью исчезает, и пластической (остаточной), когда после прекращения действия сил деформация не исчезает; если она исчезает не полностью, то деформация называется упругопластической. Принято различать следующие виды деформации: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб.

Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия. Ее можно характеризовать абсолютным удлинением Δl, возникающим под действием внешней силы Связь между Δl и F зависит не только от механических свойств вещества, но и от геометрических размеров тела (его толщины и длины).

Отношение абсолютного удлинения Δl к первоначальной длине l образца называется относительным удлинением или относительной деформацией ε:

При растяжении ε > 0, при сжатии ε < 0.

Если принять направление внешней силы, стремящейся удлинить образец, за положительное, то F > 0 при деформации растяжения и F < 0 – при сжатии. Отношение модуля внешней силы F к площади S сечения тела называется механическим напряжением σ:

За единицу механического напряжения в СИ принят паскаль (Па). Механическое напряжение измеряется в единицах давления.

Зависимость между ε и σ является одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения. По оси абсцисс откладывается относительное удлинение ε, а по оси ординат – механическое напряжение σ. Типичный пример диаграммы растяжения для металлов (таких как медь или мягкое железо) представлен на рис. 3.5.

Рис. 3.5 - Типичная диаграмма растяжения для пластичного материала

При малых деформациях (обычно существенно меньших 1 %) связь между σ и ε оказывается линейной (участок Oa на диаграмме). При этом при снятии напряжения деформация исчезает. Такая деформация называется упругой. Максимальное значение σ = σ_пр, при котором сохраняется линейная связь между σ и ε, называется пределом пропорциональности (точка a).

На линейном участке выполняется закон Гука:

Коэффициент E в этом соотношении называется модулем Юнга.

При дальнейшем увеличении напряжения связь между σ и ε становится нелинейной (участок ab). Однако при снятии напряжения деформация практически полностью исчезает, т. е. восстанавливаются размеры тела. Максимальное напряжение на этом участке называется пределом упругости.

Если σ > σ_упр , образец после снятия напряжения уже не восстанавливает свои первоначальные размеры и у тела сохраняется остаточная деформация ε_ост. Такие деформации называются пластическими (участки bc, cd и de). На участке bc деформация происходит почти без увеличения напряжения. Это явление называется текучестью материала. В точке d достигается наибольшее напряжение σ_max, которое способен выдержать материал без разрушения (предел прочности). В точке e происходит разрушение материала.

Материалы, у которых диаграмма растяжения имеет вид, показанный на рис. 5., называются пластичными. У таких материалов обычно деформация ε_max, при которой происходит разрушение, в десятки раз превосходит ширину области упругих деформаций. К таким материалам относятся многие металлы.

Материалы, у которых разрушение происходит при деформациях, лишь незначительно превышающих область упругих деформаций, называются хрупкими (стекло, фарфор, чугун).

Аналогичным закономерностям подчиняется и деформация сдвига (рисунок 3.4.2). В этом случае вектор силы направлен по касательной к поверхности образца. Относительная деформация определяется безразмерным отношением Δx / l, а напряжение – отношением F / S (сила, действующая на единицу площади поверхности). При малых деформациях

Коэффициент пропорциональности G в этом отношении называется модулем сдвига. Модуль сдвига для большинства твердых материалов в 2–3 раза меньше модуля Юнга. Например, у меди E = 1,1·10¹¹ Н/м², G = 0,42·10¹¹ Н/м². Следует помнить, что у жидких и газообразных веществ модуль сдвига равен нулю.

На рисунке 3.4.3 показана деформация всестороннего сжатия твердого тела, погруженного в жидкость. В этом случае механическое напряжение совпадает с давлением p в жидкости. Относительная деформация определяется как отношение изменения объема ΔV к первоначальному объему V тела. При малых деформациях

Коэффициент пропорциональности B в этой формуле называется модулем всестороннего сжатия.

Всестороннему сжатию могут подвергаться не только твердые тела, но и жидкости и газы. У воды B = 2,2·10⁹Н/м², у стали B = 1,6·10¹¹ Н/м². На дне Тихого океана, на глубине порядка 4 км, давление p приблизительно равно 4·10⁷ Н/м². В этих условиях относительное изменение ΔV / V объема воды составляет 1,8 %, в то время как для стального тела оно составляет всего лишь 0,025 %, т. е. в 70 раз меньше. Твердые тела с их жесткой кристаллической решеткой значительно менее сжимаемы по сравнению с жидкостями, атомы и молекулы которых не так сильно связаны со своими соседями. Сжимаемость газов на много порядков выше, чем у жидкостей и твердых тел.

Величина модуля всестороннего сжатия определяет скорость звука в данном веществе.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Значение модуля упругости удобно определять по изгибу образца. Образец размещают на опорах (рисунок 3.6). Затем к середине образца подвешивают груз p. В этом случае нижняя часть образца испытывает деформацию - растяжения, а верхняя - деформацию сжатия. При этом середина образца испытывает перемещение λ, называемое стрелой прогиба (рисунок 3.7).

Рисунок 3.6 – Образец в ненагруженном состоянии:

l – длина образца; а – толщина образца

Рисунок 3.7 – Образец в нагруженном состоянии:

Р – вес нагрузки; λ – стрела прогиба

В теории сопротивления материалов показывается, что для образцов в виде пластины модуль упругости определяется следующей формулой:

, (3.1)

где Ε – модуль упругости (Па);

Ρ – ( Ρ = m·g) вес нагрузки (Н);

l – длина образца (между опорами) (м);

λ – стрела прогиба (м);

b – ширина образца (м);

a – толщина образца (м).

Рисунок 3.8 – Экспериментальная установка для измерения модуля упругости: М - микрометр для измерения стрелы прогиба; О - образец;

С - стойки; Г - грузики

Экспериментальный образец помещают на неподвижные стойки. Расстояние между стойками принимается равным длине образца. Подводят стержень микрометра до соприкосновения с образцом - показание n₁; делаем нагрузку на стержень и подводим стержень микрометра вновь до соприкосновения с образцом – показание n₂ , определяют стрелу прогиба по формуле: λ = n₂ –n₁.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Штангенциркулем измерьте ширину, толщину и длину образца. Каждое измерение делайте пять раз в разных местах и значения запишите в таблицу.

2. Подведите стержень микрометра к образцу. Снимите показания микрометра n₁.

3. Последовательно нагружая образец грузами, подводите стержень микрометра к образцу и, измеряя положение образца n₂, вычисляйте стрелу прогиба λ.

4. Вычисляйте модуль упругости для каждого образца по формуле (3.1).

5. Опыт повторите не менее 5 раз

6. Рассчитайте абсолютную погрешность ΔЕ.

№	l, м	b, м	а , м	P, H	λ, м	Е, Па	ΔЕ, Па
1
2
3
4
5
Ср.

РАСЧЕТЫ И ВЫВОДЫ:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие виды твердых тел существуют?

2. Что такое изотропность?

3. Приведите примеры аморфных тел.

4. Что такое кристаллическая решетка?

5. Что такое элементарная ячейка?

6. Что такое монокристаллы и поликристаллы?

7. Что такое полиморфизм?

8. Перечислите основные виды кристаллических решеток.

9. Что называется деформацией?

10. Какие существуют виды и типы деформации?

11. Что такое относительное удлинение?

12. Что такое механическое напряжение?

13. Изобразите диаграмму растяжения твердого тела.

14. Сформулируйте закон Гука.

15. Что такое предел пропорциональности?

16. Что такое предел упругости?

17. Что такое текучесть материала?

18. Что такое предел прочности?

19. Чем отличается упругая деформация от пластической (остаточной)?

20. Чем отличаются пластичные материалы от хрупких?

21. Что такое модуль сдвига и модуль всестороннего сжатия?

22. Что определяет скорость звука в веществе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

Цель работы : 1. Изучить различные методы определения вязкости жидкостей. 2. Научиться определять коэффициент вязкости жидкостей методом Стокса.

Приборы и оборудование : цилиндр мерный прозрачный; исследуемая жидкость; секундомер; масштабная линейка; вискозиметр Освальда (типа ВПЖ–2); вискозиметр крови (типа ВК-4).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Определение вязкости широко используется в технике, агрономии, биологии, ветеринарии и т.д. Например, в технике коэффициент вязкости используется для определения качества горюче-смазочных материалов, его приходится учитывать при определении энергии, необходимой для перекачки жидкостей по трубам и подачи воздуха при создании микроклимата для животных и растений; в агрономии – для определения структуры почв; в ветеринарии – вязкость крови учитывается при диагностике состояния животного.

Все реальные жидкости и газы обладают вязкостью.

Вязкость веществ или внутреннее трение – это свойство жидкости или газа, благодаря которому выравниваются скорости движения различных слоев. Это выравнивание может быть частичным или полным. Другими словами, под вязкостью понимают способность жидкости или газа создавать сопротивление перемещению одного слоя вещества относительно другого. Это происходит за счет действия межмолекулярных сил. Из слоя жидкости с большей скоростью за счет теплового беспорядочного движения молекул переносится количество движения (импульс молекул) к слою, движущемуся с меньшей скоростью, и наоборот. При этом слои «быстрые» тормозятся, а слои «более медленные» начинают двигаться с большей скоростью. Так возникает между слоями жидкости сила внутреннего трения.

Количественно силу внутреннего трения, возникающую при переносе количества движения между слоями жидкости, движущимися с различными скоростями, можно определить следующим образом. Рассмотрим жидкость, которая движется в направлении оси Х. Пусть один слой движется со скоростью υ, а другой со скоростью (υ + ∆ υ). Расстояние между двумя точками выбранных слоев, для которых скорости отличаются на ∆ υ, равно ∆Z (рисунке 4.1).

υ + ∆ υ

ΔZ

Рисунок 4.1 – Послойное движение жидкости вдоль оси Х

Отношение характеризует изменение скорости потока в направлении оси Z (в направлении перпендикулярном вектору скорости).

Как было показано Ньютоном, сила вязкости, действующая между двумя слоями, выражается формулой:

или , (4.1)

где η – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом внутреннего трения или коэффициентом динамической вязкости; S - площадь соприкосновения слоёв.

Знак «±» показывает, что сила вязкости действует по направлению движения на «медленный » слой и противоположно движению на «быстрый» слой.

Коэффициент динамической вязкости численно равен силе внутреннего трения, возникающей на каждой единице поверхности соприкосновения двух слоев, движущихся с разными скоростями. При этом отношение разности скоростей к расстоянию между этими плоскостями равно единице. Единица измерения коэффициента вязкости η в СИ: Па·с (Паскаль · секунда).

В биологической и сельскохозяйственной литературе встречается ранее применявшаяся единица вязкости пуаз (П): 10П = 1 Па∙с.

Коэффициент динамической вязкости веществ зависит от природы вещества и от температуры (с повышением температуры вязкость жидкости уменьшается, а вязкость газа увеличивается).

Вязкость играет существенную роль при движении твёрдых тел в жидкостях. Если внутри жидкости будет перемещаться твердое тело, то о его поверхность будут ударяться молекулы жидкости, и в итоге будет возникать трение, как между двумя слоями жидкости.

На тело, движущееся внутри жидкости или газа, действует сила внутреннего трения:

(4.1а)

где знак «-» - означает, что сила внутреннего трения направлена против движения тела, ∆υ - разность между скоростью жидкости прилипшей к телу (скорость тела) и скоростью любого другого слоя (например, прилипшего к берегу υ=0); ∆ Z - расстояние между двумя точками выбранных слоев, для которых скорости отличаются на ∆ υ ; S – общая площадь соприкосновения тела со средой; η – коэффициент динамической вязкости.

Помещая слои жидкости между двумя трущимися поверхностями твердых тел, можно заменить трение скольжения внутренним трением, а последнее, как известно, значительно меньше.

Вязкость биологических растворов (крови, ее плазмы, сыворотки и др.) - важный показатель функционального состояния цитоплазмы клеток. Вязкость жидкости играет значительную роль в диагностике различных заболеваний. При некоторых инфекционных заболеваниях вязкость крови увеличивается, а при туберкулезе, брюшном тифе - уменьшается. Венозная кровь обладает большей вязкостью, чем артериальная. При тяжелой физической работе вязкость крови увеличивается.

По вязкости судят о качестве некоторых продуктов питания, например, сахара, сиропа, соков, сгущенного молока и т.д.

Определять вязкость при помощи закона Ньютона (формула 1) сложно. Но существует около 20 других способов определения вязкости.

Совокупность методов измерения вязкости называется вискозиметрией, а приборы, применяемые для этих целей, называются вискозиметрами (от лат. viscous – клейкий).

Рассмотрим три основных метода определения вязкости: капиллярный,метод Стокса и ротационный.

Капиллярный метод

Этим методом измеряют вязкость в пределах от 10^-5 Па∙с (свойственно газам) и до 10⁴ Па∙с (свойственно консистентным смазкам).

Объем жидкости ∆V, протекающей за время ∆t, через трубу сечением S, выражается формулой:

ΔV = S υ Δt, (4.2)

а если труба круглая, то

ΔV = πr² υ Δt, (4.3)

где r – радиус трубы, υ– скорость ламинарного течения.

Поток жидкости через сечение трубы определяется формулой:

Используя (2) и (3), можно записать

Q = S· υ = π r² υ (4.4)

для трубы круглого сечения.

Скорость ламинарного течения по круглой трубе определяется законом Пуазейля:

, (4.5)

где ∆P – разность давлений на участке трубки длиной ℓ=∆х, η – коэффициент динамической вязкости жидкости или газа.

Откуда поток равен

. (4.6)

Oбъем протекающей жидкости

(4.7)

или получаем формулу Пуазейля

(4.8)

на которой основан капиллярный метод, где V – объем жидкости, протекающей через капилляр (м³), t – время протекания жидкости (с), ℓ =Δx - длина капилляра (м), r – радиус капилляра (м), η – динамическая вязкость жидкости (Па∙с), ∆Р – разность давлений на концах трубки (Па).

Капиллярный метод заключается в измерении времени протекания жидкости через капилляр под действием силы тяжести при определенном перепаде давлений. При определении вязкости капиллярным методом необходимо добиваться, чтобы течение жидкости было ламинарным, т.к. при турбулентном движении формула Пуазейля несправедлива. Ламинарным (лат. lamina – пластинка) называется такое течение вязкой жидкости, при котором отсутствует перемешивание между соседними слоями потока. При увеличении скорости движения жидкости из-за неоднородностей давления по поперечному сечению трубы создаются завихрения и движение становиться турбулентным (лат. turbulentus–неспокойным).

Характер течения жидкости можно определить кинематической вязкостью, которая с динамической вязкостью связана соотношением

, (4.9) где ν – кинематическая вязкость (м²/с); η – динамическая вязкость (Па∙с); ρ – плотность жидкости (кг/м³).

Ранее применялась и нередко встречается в литературе единица вязкости стокс: 1м²/с = 104 Стокс.

Величина, обратная динамической вязкости, φ=1/η называется текучестью.

Жидкости в капилляре движутся под действием гидростатического давления

(4.10)

где ρ – плотность жидкости (кг/м²); g – ускорение свободного падения (м/с²); h – разность уровней жидкости в коленах вискозиметра (м).

Применим закон Пуазейля (4.8) для воды: .

И для исследуемой жидкости: .

Если объёмы двух вытекающих жидкостей будут одинаковые, то, приравнивая правые части этих уравнений и сокращая, получим:

и т.к. , то

или после сокращения

Переходя к кинематической вязкости, получим: .

Величина называется постоянной прибора, и тогда расчетная формула для капиллярного метода примет вид:

, (4.11)

где σ = 12,8 ∙ 10^-6 м²/с.

Капиллярный метод определения вязкости применяется для определения вязкости крови. Для этих целей применяется специальный гемовискозиметр типа ВК-4 (греч. haima – кровь).

Принцип его действия основан на том, что скорости продвижения жидкостей в капиллярах одинакового сечения при одних и тех же температуре и давлении зависят от вязкостей жидкостей.

По формуле Пуазейля для разных жидкостей

Разделив одно уравнение на другое, получим при t = t₀

где η – динамическая вязкость исследуемой жидкости; η₀ – динамическая вязкость воды; для цилиндрических объёмов

V = S ℓ, V₀ = S ℓ_о

и если сечения одинаковые, то

(4.12)

– расчетная формула для определения вязкости гемовискозиметром при известном коэффициенте вязкости эталонной жидкости.

Измерение вязкости при помощи капиллярного вискозиметра основано на определении времени истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара.

Метод Стокса

Этот метод основан на определении времени падения шарика в жидкости. С помощью метода Стокса определяют вязкость в пределах от 6∙10^-4 Па∙с до 250 Па∙с.

На движущиеся в жидкости тело шарообразной формы действует сила внутреннего трения, тормозящая его движение. Для малых скоростей Стокс показал, что эта сила вязкости пропорциональна линейным размерам шарика и скорости его движения:

, (4.13)

где d – диаметр шарика, υ - скорость движения шарика.

Закон Стокса справедлив для движения тел шарообразной формы не только в жидкостях, но и газах. В частности, с помощью закона Стокса можно вычислить время оседания пыли в воздухе. (На основе этого расчета получается, что для выпадения пыли в комнате высотой 3м, при полной неподвижности воздуха требуется около 12 суток.)

Применяется закон Стокса и в технологии молочных продуктов. Например, с помощью его, принимая, что молочный жир имеет форму шарика, можно определить время отстаивания сливок от молока. Вязкость молока лежит в основе расчетов при конструировании выпарных аппаратов, подборе технологического оборудования для производства плавленых сыров, конструкции сепараторов, молокопроводов, характеризует консистенцию молочных продуктов.

Если шарик вертикально падает в жидкости, то на него, кроме силы вязкости F, действует сила тяжести Р и выталкивающая сила F_A (сила Архимеда) ( рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – Силы, действующие на шарик, падающий в жидкости

Сила тяжести Р = mg, масса тела m = ρV; т.к. объем шарика , то вес шарика Р равен: . (4.14)

На основании закона Архимеда выталкивающая сила равна весу жидкости, вытесненной шариком:

(4.15)

Объем вытесненной жидкости равен объему шарика. Тогда:

(4.16)

В начале шарик двигается с ускорением, при этом сила вязкости меняется. Затем наступает момент, когда скорость шарика достигает такого значения, при котором векторная сумма всех сил равна нулю, т.е. выполняется первый закон Ньютона, и дальнейшее падение шарик совершает с постоянной скоростью. Запишем равенство:

(4.17)

Из равенства следует:

Скорость равномерно движущегося шарика:

, где

- путь, пройденный шариком за время t.

Окончательная расчетная формула для коэффициента вязкости методом Стокса:

(4.18)

Прибор для определения коэффициента вязкости методом Стокса состоит из стеклянного цилиндра, наполненного исследуемой жидкостью (рисунок 4.5). Вверху цилиндр прикрыт крышкой с отверстием посредине для опускания шарика. На поверхности цилиндра имеются две метки (А и В), расположенные друг от друга на расстоянии ℓ. Метки выполнены в виде колец из тонкой проволоки или резины. Верхняя метка опущена ниже уровня жидкости на 8-10 см. На этом участке в 8-10 см шарик достигает постоянной скорости.

Рисунок 4.5 – Прибор для определения коэффициента вязкости жидкости методом Стокса

Ротационный метод

Этот метод используется для измерения вязкости в пределах от 1 Па∙с до 10⁵Па∙с, т.е. смазочных масел, расплавленных силикатов и металлов, высоковязких лаков и клеев, глинистых растворов и т.п. Сущность ротационного метода заключается в следующем: жидкость заливается между двумя соосными телами (цилиндрами). Один из цилиндров (ротор) вращается, другой неподвижен. Вязкость измеряется или по угловой скорости ротора при постоянной мощности двигателя, создающего определенный момент силы на неподвижном цилиндре, или по моменту силы, действующему на неподвижный цилиндр при заданной угловой скорости вращения ротора.

Возможно также измерение вязкости через определение скорости вращения цилиндра, опущенного в вязкую среду при фиксированных параметрах цилиндра и постоянном напряжении на электродвигателе.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

(определение вязкости методом Стокса)

1. Измерить микрометром диаметр самого маленького шарика d (измеряют три диаметра одного шарика и берут среднее значение).

2. Осторожно опустить шарик через отверстие в крышке.

3. Одновременно с опусканием шарика в отверстие фиксируем глазом верхнюю метку. Кольцо должно сливаться в прямую линию.

4. При прохождении шарика через верхнюю метку включить секундомер.

5. Сразу же после прохождения шарика через верхнюю метку фиксируем глаз на нижней метке.

6. При прохождении шарика через нижнюю метку выключить секундомер. Записать значение времени t .

7. Измерить расстояние между метками ℓ.

8. По формуле (4.18) рассчитайте коэффициент вязкости η.

9. Опыт провести 5 раз и результаты внести в таблицу.

10. Сравните полученные результаты с данными таблицы 6 приложения. Сделайте выводы.

№ п/п	d (м)	ℓ (м)	t (с)	ρ (кг/м³)	ρ_ж (кг/м³)	g (м/с²)	η (Па∙с)	∆η (Па∙с)
1.
2.
3.
4.
5.
ср.

РАСЧЕТЫ И ВЫВОДЫ:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое вязкость жидкости?

2. Записать формулу Ньютона для силы внутреннего трения.

3. Что такое коэффициент динамической вязкости?

4. Чем отличается ламинарное течение от турбулентного?

5. Что такое кинематическая вязкость?

6. Что такое поток жидкости?

7. Запишите закон Пуазейля для скорости ламинарного течения.

8. В чем сущность метода Стокса?

9. Назвать силы, действующие на тело, движущееся в вязкой среде и указать их направление.

10. Первый закон Ньютона и его применение в данной лабораторной работе.

11. Качественное влияние температуры на коэффициент вязкости в жидкостях и газах.

12. Возможные применения метода Стокса.

13. Опишите капиллярный метод определения вязкости.

14. В чем сущность ротационного метода определения вязкости?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Микроклимат – это искусственно создаваемые климатические условия в закрытых помещениях для защиты от неблагоприятных внешних воздействий. Чтобы создать микроклимат, необходимы специальные мероприятия: отопление, освещение, вентиляция, кондиционирование и т.п., обеспечивающие его параметры. Основными параметрами микроклимата являются: температура воздуха, влажность воздуха, скорость движения воздуха, атмосферное давление, освещенность помещения, уровень шума в помещении, уровень радиационного фона.

Эти параметры имеют важное значение при содержании сельскохозяйственных животных и птицы в помещении. Например, снижение температуры в инкубаторе на 1-2^оС существенно уменьшит количество выведенных птенцов; изменяя освещенность в свинарнике, можно воздействовать на воспроизводительную функцию животных; правильно выбрав скорость движения воздуха в птичнике, можно увеличить яйценоскость кур; увеличение шума в коровнике ведет к снижению лактации на 30%.

Чтобы правильно оценить параметры микроклимата и выбрать наиболее благоприятный режим существования животных, необходимо знание физических величин, характеризующих параметры микроклимата, и умение пользоваться приборами, определяющими эти величины. Полученные знания и умения понадобятся ветеринарному врачу для того, чтобы грамотно, профессионально использовать приборы и оборудование, имеющееся на современных животноводческих и птицеводческих производственных комплексах, влияющие на микроклимат и сказывающиеся на жизнедеятельности и продуктивности животных и птиц.

Рассмотрим основные физические величины, характеризующие параметры микроклимата, и методы их измерения.

ТЕМПЕРАТУРА

Температура – это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.Чтобы воспользоваться этой величиной, надо найти способ точного определения температуры. Таким способом является свойство некоторых веществ увеличивать свои размеры при повышении температуры. На основе этого свойства сконструированы приборы для измерения температуры, которые называются термометрами.

Термометры состоят из чувствительного элемента - датчика, в котором реализуется термометрическое свойство, и измерительного прибора, в качестве которого чаще всего бывает дилатометр – прибор, измеряющий изменение размеров тела при тепловом воздействии, манометр, гальванометр, потенциометр и т.п. Необходимым условием измерения температуры является тепловое равновесие датчика и тела, температура которого измеряется.

Основными типами термометров являются: жидкостные, газовые, биметаллические, электротермометры (термометры сопротивления), термопары, пирометры. Наиболее распространенным является жидкостный термометр, где термической характеристикой является объем, а датчиком – резервуар с жидкостью (обычно ртуть или спирт). Газовые термометры служат для измерения температуры с точностью до 0,01^о и градуировки термометрических шкал. Для измерения высоких температур (порядка тысяч градусов) служит пирометр, где в качестве термометрического свойства используется интенсивность излучения. Особенностью пирометров является то, что датчик не находится в непосредственном контакте с телом, температуру которого измеряют. Для измерения сверхнизких температур (порядка сотен градусов) служат специальные термометры, у которых датчиком является парамагнетик, а измеряемым свойством – зависимость их намагниченности от температуры. У электротермометров датчиком является термосопротивление, а термометрическим свойством – зависимость сопротивления электрическому току от температуры. В термопарах датчиком является контакт металлов и полупроводников, а термометрическим свойством – зависимость термоэлектродвижущей силы от температуры.

В ветеринарной практике, в научных исследованиях часто бывает необходимо знать максимальное и минимальное значение температуры за определенный период времени. Для этих целей служат максимальный и минимальный термометры.

У максимального термометра в дно резервуара впаивают стеклянный штифт, второй конец которого входит в капиллярную трубку и настолько сужает ее просвет, что ртуть может выходить в капилляр под действием сил расширения при нагревании и не может вернуться в резервуар при охлаждении. Для возвращения ртути в резервуар максимальный термометр необходимо встряхнуть. Благодаря такого рода устройству, максимальный термометр показывает наибольшую температуру за период исследования. Часто вместо стеклянного штифта в месте перехода капилляра в резервуар делается сужение. Иногда в максимальных термометрах используется игла-указатель, которая касается ртутного мениска. При повышении температуры выпуклый мениск ртути толкает иглу вперед, при понижении температуры ртуть движется обратно (в этих термометрах нет сужения капилляра), а игла остается на месте показания наивысшей температуры. Во время работы максимальные термометры такого вида должны находиться в горизонтальном положении. Примером максимального термометра является медицинский термометр.

Минимальный термометр служит для измерения самой низкой температуры за период исследования. Минимальные термометры, как правило, спиртовые с иглой-указателем. Спирт смачивает стекло, и мениск получается вогнутым; при повышении температуры спирт расширяется, но игла не увлекается спиртом, а при понижении температуры вогнутый мениск тянет иглу к резервуару. Рабочее положение минимального термометра – горизонтальное.

Жидкостные термометры имеют ряд недостатков: большая инерционность измерения, недостаточная точность, недолговечность прибора. Этих недостатков можно избежать, если применить электротермометр. Принципиальная схема электротермометра представляет собой неуравновешенный мост Уинстона. В одно из плеч включен терморезистор, сопротивление которого меняется в зависимости от изменения температуры контактирующей с ним среды.

Биметаллический термометр имеет чувствительный элемент в виде плоской или спиральной пружины, спаянной из двух разнородных пластин. Пластины изготавливают из металлов с разными коэффициентами температурного расширения. При нагревании обе пластины удлиняются и пружина изгибается в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом. По величине изгиба судят о температуре нагрева. Биметаллический термометр применяется в термографе.

В ветеринарной и практике иногда бывает необходимо наблюдать за изменением температуры в течение определенного времени. Для этой цели пользуются термографом. Термограф ведет непрерывную запись температуры в течение всего периода измерения. Основной частью термографа является изогнутая, полая внутри, металлическая пластинка, наполненная толуолом, и запаянная. При повышении температуры пластинка изгибается. Колебания пластинки передаются системой рычагов самописцу, конец которого (перо) скользит по бумаге, укрепленной на барабане, вращающемся с помощью часового механизма вокруг вертикальной оси.

Во всех термометрах, используемых в России, применяется шкала Цельсия, хотя в других странах применяют и другие шкалы температур: Фаренгейта, Реомюра. В системе СИ ( таблица 1 приложения) температура измеряется в градусах Кельвина. Между этими шкалами существует взаимосвязь:

1^оС = 4/5^оР = 9/5^оФ,

1^оР = 5/4^оС = 9/4^оФ,

1^оФ = 5/9^оС = 4/9^оР,

К = ^оС + 273.

Гигиеническое значение температуры внешней среды состоит в том, что она оказывает огромное влияние на теплорегуляцию организма животных. При понижении температуры внешней среды в организме увеличивается теплоотдача. В таблице 7 приложения приведены оптимальные температуры воздуха, для содержания животных и птиц.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы : Выработать умение измерять температуру различными методами и приборами.

Приборы и принадлежности : различные типы жидкостных термометров; биметаллический термометр; электронный термометр.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА

Влажностью воздуха называется физическая величина, определяющая содержания водяного пара в воздухе.

Количественно влажность воздуха может определяться абсолютной и относительной влажностью.

Абсолютной влажностью воздуха называется отношение массы водяного пара, содержащегося в некотором объеме воздуха, к величине этого объема.

Абсолютная влажность выражается в системе СИ в кг/м³ (на практике абсолютную влажность иногда выражают в миллиметрах ртутного столба, сокращенно мм. рт. ст.).

Относительной влажностью воздуха называют выраженное в процентах отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара при той же температуре.

В ветеринарной практике часто пользуются понятиями максимальной влажности и дефицита влажности.

Максимальной влажностью называют количество водяного пара, насыщенного до предела 1 м³ при определенной температуре.

Дефицитом влажности называют разность между максимальной и абсолютной влажностью.

Между абсолютной, относительной и максимальной влажностью существует взаимосвязь, выражаемая формулой:

, (5.1)

где R – относительная влажность (%); А – абсолютная влажность (мм. рт. ст.); Е – максимальная влажность (мм. рт. ст.).

Абсолютную влажность, определяемую с помощью психрометра, вычисляют по формуле Реньо:

, (5.2)

где: - психрометрический коэффициент, зависящий от скорости движения воздуха (таблица 8 приложения); – температура сухого термометра (^оС); - температура влажного термометра (^оС); Р – атмосферное давление (мм. рт. ст.).

От влажности воздуха, как и от температуры внешней среды, во многом зависит жизнедеятельность живого организма. Так, например, человек с выдыхаемым воздухом выделяет в сутки 0,35 кг влаги, а при нормальном потоотделении при комнатной температуре 0,5 кг пота в сутки. При большой влажности процесс испарения с поверхности тела замедляется, а, следовательно, замедляется выделение тепла, что ведет к перегреву организма. Поэтому животные, находящиеся в помещении с повышенной влажностью, отличаются пониженной жизнедеятельностью. Для наземных животных нормальная влажность воздуха составляет 70 – 80%. При влажности меньше нормы, в результате усиленной потери влаги организмом, происходит обезвоживание организма. Поэтому поддержание нормальной влажности в животноводческих и птицеводческих помещениях, вивариях является одним из важных условий нормального существования животных и птиц.

Организм животных способен в определенной степени регулировать скорость испарения. Например, волосяной покров на спине верблюда спасает его от потери влаги (у стриженого верблюда потоотделение возрастает, примерно, на 50%). То же самое наблюдается после стрижки овец. У верблюда, кроме того, слизь, вырабатываемая в носу, насыщает влагой поступающий в легкие сухой воздух, но при выдохе, в отличие от человека, эта влага вновь фильтруется и остается в организме. Таким образом, животное экономит 68% содержащейся в нем воды. Мало того, выдыхаемый верблюдом воздух почти на 9 градусов прохладней окружающей среды, в то время как выдох человека имеет такую же температуру как его тело.

Для поддержания нормальной влажности в помещении используют специальные установки – кондиционеры, где воздух увлажняется или осушается в зависимости от режима работы.

Влажность воздуха измеряется специальными приборами – психрометрами и гигрометрами. В ветеринарной практике наибольшее применение нашли статические психрометры Августа и волосяные гигрометры. Существует еще конденсационный гигрометр. Для его работы нужна легко испаряющаяся жидкость (эфир), обладающая резким запахом и отрицательно влияющая на организм, поэтому этот тип гигрометров не применяется в животноводческих и птицеводческих помещениях.

Статический психрометр Августа состоит из двух одинаковых термометров, закрепленных в специальной оправе, у одного из термометров («смоченного») резервуар обернут слоем батиста, который перед работой смачивают дистиллированной, дождевой или снеговой водой. Второй термометр «сухой». Влажность определяется с помощью психрометрической таблицы по разности показаний сухого и смоченного термометров. Влажный термометр всегда показывает более низкую температуру (если воздух не насыщен водяными парами), так как он охлаждается из-за испарения воды с поверхности батиста, облегающего резервуар.

Волосяной гигрометр сконструирован на основе свойства обезжиренного человеческого волоса, изменять свою длину в зависимости от влажности воздуха (удлиняется при повышении относительной влажности).

Для измерения влажности в течение длительного времени применяется гигрограф. Принцип действия гигрографа основан на свойстве обезжиренного женского волоса изменять свою длину с изменением относительной влажности воздуха. Гигрограф состоит из чувствительного элемента – пучка обезжиренных женских волос, передаточного механизма, регистрирующей части, состоящей из стрелки с пером и барабана с часовым механизмом, кожуха. Изменение длины пучка волос преобразуется с помощью передаточного механизма в перемещение стрелки с пером по диаграммному бланку. При увеличении относительной влажности пучок волос удлиняется и стрелка с пером перемещается вверх, а при уменьшении – вниз.

ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Цель работы: Научиться определять влажность воздуха.

Приборы и принадлежности : статический психрометр Августа,

гигрометр волосяной; барометр – анероид.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с устройством и техническими данными статического психрометра Августа (изобретен в 1828 году немецким ученым Э.Ф.Августом).

2. Поднимите трубку с водой и смочите батист на резервуаре, затем обратно опустите трубку так, чтобы батист находился на высоте 2–3 см от поверхности воды.

3. Через 5 – 10 мин, следя за тем, чтобы на прибор не повлияли источники тепла, запишите показания сухого и влажного термометров.

4. Пользуясь психрометрической таблицей, прикрепленной на психрометр, определите относительную влажность воздуха.

5. Определите с помощью барометра атмосферное давление.

6. Пользуясь таблицей упругости насыщенных паров (таблица 9 приложения), определите максимальную влажность воздуха.

7. По формуле (5.2) определите абсолютную влажность воздуха.

8. По формуле (5.1) определите относительную влажность воздуха.

9, Определите относительную влажность воздуха с помощью волосяного психрометра.

10. Значения относительной влажности R₁, R₂, R₃, определенные разными способами, занесите в таблицу и рассчитайте погрешности.

Таблица 5.3 – Относительная влажность воздуха

№ п/п	R₁, %	∆R₁, %	R₂, %	∆R₂, %	R₃, %	∆R₃, %	R_ср
1
2
3

III. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Воздух, окружающий Землю, имеет определенную массу и вследствие этого производит давление на поверхность земли, на все окружающие предметы. Это давление называется атмосферным.

Выражается давление в системе СИ в Па (внесистемная единица мм.рт.ст.- миллиметр ртутного столба, 1 мм.рт.ст.=133,33 Па). Нормальное атмосферное давление составляет 101325 Па (760 мм.рт.ст.).

Давление воздуха зависит от температуры и поэтому меняется в течение суток и в течении года. Кроме того, давление воздуха зависит от высоты над уровнем моря. Чем выше мы находимся, тем давление меньше.
Атмосферное давление существенно влияет на климат, а колебания его обуславливают большие изменения погоды, что, безусловно, сказывается на самочувствии животных.

Для измерения атмосферного давления чаще всего используют барометр – анероид. Основной частью его является тонкостенная металлическая коробка, заполненная разреженным воздухом (до 6-7 кПа). В результате колебаний атмосферного давления коробка сдавливается или раздувается, что приводит к изменению положения прикрепленной к ней стрелке, указывающей атмосферное давление.

Для длительных наблюдений за изменением атмосферного давления и их записи служит барограф. Устройство его аналогично устройству барометра, только стрелка имеет писчик, который вычеркивает на ленте движущегося барабана кривую колебаний атмосферного давления.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с устройством барометра – анероида.
2. Определите атмосферное давление воздуха с помощью барометра – анероида и выразите его в Па и мм.рт.ст. Данные занесите в таблицу.

Таблица 5.4 – Атмосферное давление воздуха

Дата	Р (Па)	Р (мм.рт.ст.)

V. ОСВЕЩЕННОСТIЬ ПОМЕЩЕНИЯ

Освещенностью называется физическая величина, определяемая отношением падающего на поверхность светового потока к ее площади.
Аналитически освещенность можно представить в виде формулы:

где Е – освещенность, измеряется в люксах (лк); Ф – световой поток, измеряется в люменах (лм) (от латинского lumen – свет); S – площадь, на которую падает световой поток ( ).

Для измерения освещенности пользуются люксметрами, основной частью которого является фотоэлемент, создающий фототок, пропорциональный освещенности окна прибора.

Физиологическое действие света на животных и птиц во многом зависит от освещенности. Видимое излучение улучшает функции сердечнососудистой системы, стимулирует фотохимические процессы в организме, влияет на центральную нервную систему, повышает активность коры больших полушарий. Замечено, что видимое излучение влияет на эндокринные органы, способствует вырабатыванию гормонов. Освещенность действует на деятельность половых желез у многих видов животных, молочную продуктивность коров. Особенно плохо влияет темнота на воспроизводительные функции животных. Под действием света происходит обмен веществ в организме, который является жизненно необходимым процессом для всей органической природы и обязательным условием нормальной жизнедеятельности организма животных. Недостаток освещенности ведет к возникновению у животных анемии (группа заболеваний, характеризующихся уменьшением количества эритроцитов и гемоглобина в крови), остеомаляции (размягчение костей и их деформация из-за обеднения организма солями кальция и фосфорной кислоты) и других заболеваний. Освещенность помещений оказывает немалое действие и на людей, работающих в животноводческих и птицеводческих помещениях. Так, при малом освещении глаз с трудом различает мелкие предметы, быстро устает, при большом освещении свет оказывает вредное воздействие на сетчатку и возбуждающе действует на нервную систему.

Для оценки и нормирования естественного освещения используется коэффициент естественной освещенности (КЕО), равный отношению естественной освещенности в рассматриваемой точке внутри помещения к одновременному значению наружной освещенности на горизонтальной поверхности под открытым небом без прямого солнечного света. В таблице 10 приложения приведены некоторые минимальные значения КЕО.

Из-за недостаточности естественного освещения применяется искусственное освещение. Искусственное освещение может быть общим или комбинированным, если к общему освещению добавляется местное, концентрирующее световой поток непосредственно в зоне зрительных работ. Для повышения производительности труда и увеличения продуктивности сельскохозяйственных животных установлены гигиенические нормы освещенности жилых и производственных помещений. Соблюдение норм освещенности обязательно для всех руководителей предприятий. В таблице 11 приложения даны некоторые нормы освещенности.

Освещение животноводческих и птицеводческих помещений предусматривает не только норму освещенности, но и спектральный состав света.
Спектром называется совокупность частот (или длин) волн, содержащихся в каком-либо излучении.

Визуально спектры можно наблюдать в спектроскопе. Виды спектров, испускаемых нагретыми телами, зависят от природы тела и его температуры.
Спектры могут быть сплошными, линейчатыми, полосатыми. В сплошном спектре переход от одного цвета к другому осуществляется плавно. Линейчатый спектр состоит из отдельных цветных линий на темном фоне; полосатый спектр состоит из полос, образованных большим числом линий, расположенных очень близко друг от друга.

По виду спектра можно определить принадлежность атомов молекулы какому-то веществу. Этим занимается качественный спектральный анализ. По интенсивности спектральных линий можно определить количество излучающих или поглощающих атомов – этим занимается количественный спектральный анализ. С помощью количественного спектрального анализа можно определить примеси в концентрациях . По спектру вещества можно сделать вывод о его состоянии, температуре, давлении и т.д.
Особый интерес для ветеринаров вызывает ультрафиолетовая часть спектра. Ультрафиолетовое излучение (УФ) находится в границах от 10 до 400 нм. Различают три области ультрафиолетового излучения:

- длинноволновая область А (от 315 до 400 нм) биологически малоактивна;

- средневолновая область В (от 280 до 315 нм) биологически самая активная, образует витамин Д, способствующий росту и развитию животных и птиц;

- коротковолновая область С (от 200 до 280 нм) обладает сильным бактерицидным действием.

Биологическое действие УФ излучения происходит в результате фотохимического и физико-химического воздействий, фотоэлектрического эффекта. Внешним проявлением фотохимического воздействия является покраснение (эритема) кожи. Физико-химическое воздействие осуществляется в основном на клетку, причем длинноволновое излучение действует на протоплазму, а коротковолновое – на ядро.

УФ излучение действует на живой организм двумя путями: гуморальным (с помощью различных продуктов обмена веществ, через кровь, лимфу, тканевую жидкость) и нервно-рефлекторным.

Гуморальное действие проявляется через образование в организме витамина Д, который способствует всасыванию из кишечника и усвоению кальция. Кальций входит в состав костей, участвует в свертывании крови, регулирует активность ферментов, уплотняет клеточные и тканевые мембраны.

Нервно-рефлекторный путь осуществляется путем возбуждения нервных окончаний в коже и передачи этого возбуждения через центральную нервную систему внутренним органам.

При УФ облучении улучшаются кроветворные функции, повышаются иммунные свойства, резистентность (сопротивляемость) организма, увеличивается продуктивность животных, улучшается обмен веществ. Например, облучение коров повышает удой на 5-13%, облучение поросят повышает среднесуточный прирост на 20%; облучение кур повышает яичную

продуктивность на 10-15%.
Для получения искусственного УФ излучения используют специальные лампы, спектральные характеристики которых можно определить с помощью спектрографов или спектроскопов.

ИЗМЕРЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ

Цель работы : Научиться измерять освещенность, пользоваться люксметром или использовать фотоэлемент для измерения освещенности.

Приборы и принадлежности : люксметр; фотоэлемент; микроамперметр; электрическая лампа; вольтметр; лабораторный автотрансформатор

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с инструкцией и техническими данными люксметра.

2. Определите с помощью люксметра освещенность рабочего места - Е_л..

3. Соберите схему по рисунку 5.1 или воспользуйтесь готовой установкой.

4. Установите с помощью лабораторного автотрансформатора напряжение, подаваемое на лампу, таким, при котором известна сила света, излучаемого лампой. Величину напряжения спросите у преподавателя.

ФЭ

VVV

220 В

Рисунок 5.1 - Схема для измерения освещенности фотоэлемента: ФЭ – фотоэлемент; Г – гальванометр; V – вольтметр.

5. Установите фотоэлемент ФЭ против лампы и измерьте расстояние R от нити накала лампы до фотоэлемента.

Примечание: Опыт проводить в затемненной лаборатории. Степень затемнения такова, чтобы при выключенной лампе гальванометр показывал нулевое значение.

6. Воспользовавшись формулой: Е_л = , вычислите освещенность фотоэлемента.

7. Опыт повторите три раза на разных расстояниях, данные занесите в таблицу, обработайте результат.

№ п/п	Е_л (лк)	J (кд)	R (м)	Е (лк)	Е_ф (лк)
1.
2.
3.
Ср.

8. Определите цену деления микроамперметра в люксах.
9. Снимите фотоэлемент ФЭ с установки и поместите его в то место помещения, где измерялась освещенность люксметром. Измерьте освещенность Е_ф этого места фотоэлементом.

10. Сравните освещенности Е_ф и Е_л и сделайте вывод.

11. Включите ультрафиолетовую лампу (УФ-лампу).

ПРИМЕЧАНИЕ. Работу с УФ-лампой проводить в защитных очках.

12. С помощью фотоэлемента определите освещенность Е₁ на каком-то расстоянии от УФ-лампы.

13. Поместите перед фотоэлементом стекло, задерживающее УФ-излучение, снова замерьте освещенность Е_2.

14. Опыт повторите несколько раз, сравните освещенности и и сделайте вывод: какая доля освещенности приходится на УФ-излучение.

V. УРОВЕНЬ ШУМА

Шумом называется звук, отличающийся сложной, неповторяющейся временной зависимостью.

К шуму можно отнести вибрацию машин, работу тракторов, доильных машин, транспортеров, вентиляторов, шорох, скрип и т.п. В биологической акустике шумом считают любые звуки, затрудняющие правильное восприятие звуковых сигналов, а также раздражающие нервную систему человека или животных с соответствующими нарушениями нормальных физиологических функций их организма.

Для математического соотношения громкости и интенсивности звука используется психофизический закон Вебера-Фехнера, который аналитически записывается в таком виде:

, (5.5)
где Е – уровень интенсивности звука (дБ); J – интенсивность звука (Вт/ ); J₀- порог слышимости (Вт/ ).

Уровень интенсивности звука измеряется в белах, но обычно применяют единицу в 10 раз меньшую, называемую децибелом (дБ). Например, перелистывание страниц газеты составляет уровень интенсивности в 35–40 дБ, шум в большой аудитории во время перерыва составляет 70–75 дБ, шум мопеда на расстоянии 5м от него – 95–100дБ. Самый сильный звук, который может выдержать человеческое ухо - порог болевого ощущения, – составляет 130 дБ, самый слабый звук – порог слышимости, - составляет 0 дБ ( Вт/ ).

Интенсивность звука измеряют приборами, называемыми шумомерами. Основной частью шумомера является микрофон, который превращает акустический сигнал в электрический. Электрический сигнал измеряется стрелочным прибором, шкала которого проградуирована в децибелах.

В настоящее время изучением и профилактикой шума занимаются специалисты различных профилей – врачи, ветеринары, зоотехники, психологи, физики, биофизики. Установлено, что для нормальной жизнедеятельности организма шум не должен превышать во время сна 30 дБ, во время работы 50–60 дБ. Эти данные положены в основу санитарных акустических норм.

В связи с интенсификацией и механизацией сельского хозяйства значительно повышается уровень шума в животноводческих помещениях. Так, уровень шума от трактора МТЗ-50 на расстоянии 5м от него составляет 80-90 дБ, а при включении соединенного с ним кормораздатчика КТУ-10 шум повышается до 100 дБ на частотах от 400 до 1000 Гц. Вентилятор ЦЧ-70 в животноводческом помещении на расстоянии 5м создает шум в 85 дБ. При большой концентрации птицы на птицефабриках уровень шума достигает 95 дБ.

Рассматривая влияние шума на жизнедеятельность организма, надо отметить, что полное отсутствие шума, тишина, безмолвие тяжело влияют на психическое состояние. Так, человек начинает слышать удары своего сердца, шорох ресниц, кожи и пр. Интенсивные шумы приводят к нарушению работы слухового аппарата, а так как слуховой анализатор через кору человеческого мозга влияет на работу других органов и нервную систему, то шум вызывает изменения в циркуляции крови.

Возрастание скорости оседания эритроцитов, нарушает работу органов внутренней секреции, вызывает заболевания сердечнососудистой системы. Отрицательно сказывается влияние шума на сельскохозяйственных животных. Например, у коров возникает нарушение рубцового пищеварения, лактация снижается до 30%, нарушается кровообращение и терморегуляция организма. Очень чувствительны к действию шума свиноматки. Под действием шума в 70-80 дБ у них прекращается лактация, а восстанавливается не менее чем через 2 часа. Шум в 90-10 дБ при частоте 2-5кГц вызывает изменение в физиологическом состоянии кур, снижение их живой массы на 60% и яйценоскости на 20%.

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ШУМА

Цель работы : научиться определять уровень шума с помощью шумомера.

Приборы и принадлежности : шумомер.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с инструкцией и правилами пользования шумомером.
2. Установите корректор против буквы А, это означает, что Вы будете измерять суммарный уровень интенсивности.

3. Измерьте уровень шума в аудитории во время занятий и во время перерыва .

4. Опыт повторите несколько раз, данные обработайте и запишите результат в таблицу.

Таблица 5.5 – Уровень шума в аудитории

№ п/п	Во время занятий		Во время перерыва
№ п/п	(дБ)	(дБ)	(дБ)	(дБ)
1. 2. 3.
Ср.

VI. РАДИОАКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Радиоактивностью (от латинского radius – луч) называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц.

Различают естественную радиоактивность, наблюдаемую у ядер, существующих в природных условиях, и искусственную радиоактивность ядер, полученных искусственно посредством ядерных реакций.

Для определения уровня рентгеновского и гамма-излучения используется единица Рентген (Р).

Рентген – экспозиционная доза ( ) излучения, при которой в результате полной ионизации в 1 сухого воздуха при нормальных условиях ( и 101325 Па) образуются ионы, несущие заряд 1/3 Кл каждого знака.

Дж/кг.

Для характеристики биологического действия излучения существует единица биологической дозы – биологический эквивалент рентгена (бэр).

БЭР – это такая доза любого ядерного излучения, при которой в тканях создается такой же биологический эффект, как при дозе гамма-излучения в 1Р (1бэр = 0,01 Дж/кг).

В бэрах измеряется эквивалентная доза ( ):

где К – безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом качества, переводящий дозу в рентгенах в дозу в бэрах. Значения коэффициента качества даны в таблице 12 приложения.

Все на Земле, в том числе человек и животные, находятся под действием естественных радиоактивных источников (космические лучи, радиоактивность недр, воды, радиоактивность ядер, входящих в организм животного и человека и т.п.). Эти источники создают радиоактивный фон. Хотя он различен в разных местах Земли, но принято средним значением считать 125 мбэр.
Такая доза не представляет какой-либо опасности для живого организма. Предельно допустимой дозой при профессиональном облучении считается 5 бэр в течение года. Летальная доза (смертельный исход) от гамма-излучения составляет 600 бэр.

Для измерения доз ионизирующих излучений существуют специальные дозиметрические приборы – дозиметры. Дозиметры для измерения дозы рентгеновского и гамма-излучений называются рентгенометрами. Дозиметры состоят из детектора ядерных излучений и измерительного устройства. В качестве детектора обычно применяется ионизационная камера. Состав газа в таких камерах и вещество, из которого состоит стенка камеры, подбирают таким, чтобы осуществлялись условия, идентичные с поглощением энергии в биологических тканях. Примером такого дозиметра является дозиметр ДК-02. Каждый индивидуальный дозиметр представляет собой миниатюрную цилиндрическую ионизационную камеру, которая предварительно заряжается. В результате действия радиоактивного излучения происходит ионизация и разрядка камеры, что фиксируется вмонтированным в нее электрометром. По окончании работы дозиметр показывает дозу в рентгенах.

Рассматривая биологическое действие излучений, надо отметить, что характерным и коварным свойством ионизирующих излучений является невосприимчивость их нашими органами чувств. Характерным свойством ионизирующего излучения является также то, что оно вызывает значительный биологический эффект при малых величинах поглощенной энергии. Животные даже одного вида по-разному реагируют на воздействие радиации. Поэтому для характеристики радиоактивной чувствительности применяют полулетальную дозу, т.е. такую, которая вызывает гибель 50% животных через 30 дней после облучения. Для человека и некоторых сельскохозяйственных животных такая доза указана в таблице 13 приложения.

Наиболее чувствительными к радиоактивности являются костномозговая и эпителиальная ткани, наименее чувствительными мышечная и костная.

Под действием радиоактивного облучения нарушается рефлекторная деятельность, снижается свертываемость крови, изменяется число лейкоцитов, происходят биологические изменения белков, ферментов, нарушается активность сперматозоидов, падает кровяное давление, в крови образуются радиотоксин, нарушается работа генного аппарата.

Наряду с отрицательным воздействием ионизирующего излучения существует опыт его положительного практического применения. Некоторые области практического применения ионизирующего излучения даны в таблице 14 приложения.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с инструкцией по пользованию дозиметром.
2. Определите радиоактивный фон А_ф дозиметром. Данные занесите в таблицу.
3. Определите с помощью дозиметра активность предложенных образцов А₁, А₂, А₃. Данные занесите в таблицу.

№ п/п	(Р)	(Р)	(Р)	(Р)
1 2 3
Ср.

4. Данные обработайте и запишите результат.

VII. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В вышеперечисленных лабораторных работах Вы определили основные физические параметры микроклимата. Эти параметры играют существенную роль при содержании сельскохозяйственных животных и птиц. Чтобы иметь целостное представление о микроклимате, сведите параметры в одну таблицу.

Таблица 5.6 - Основные физические параметры микроклимата лаборатории физики

Температу-ра,^оС	Влажность воздуха,%	Освещен-ность, лк	Атмосферное давление, Па	Уровень шума, дБ	Радиацион-ный фон, Р

Сделайте вывод о соответствии полученных параметров микроклимата санитарным нормам.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое температура?

2. Каким образом можно измерить температуру?

3. При какой температуре показания на шкале Фаренгейта и Цельсия одинаковы?

4. В чем заключаются физические основы терморегуляции организма?

5. Каково применение низких температур в ветеринарной практике?

6. Что такое влажность воздуха?

7. Каким образом можно изменить влажность воздуха?

8. Каково значение влажности воздуха для жизнедеятельности организма?

9. Что значит относительная влажность воздуха 100%.

10. Что такое атмосферное давление воздуха?
11. Каким образом можно измерить атмосферное давление?
12. Каково влияние атмосферного давления на жизнедеятельность животных и птиц?
13. На сколько давление в горах на высоте 2000 м ниже, чем на уровне моря?

14. Какие Вы знаете фотометрические величины? В каких единицах они измеряются?
15. Как связаны фотометрические величины между собой?
16. Каково влияние освещенности на жизнедеятельность животных и птиц?
17. Рассчитайте, какой мощности лампочку, прикрепленную к потолку, надо включить в помещении для хранения шерсти, если высота помещения 4м. Считать, что 1 Вт мощности соответствует силе света 1кд.

18. Что такое шум?

19. Как определить уровень шума? В каких единицах он измеряется?

20.Каково влияние шума на жизнедеятельность и продуктивность сельскохозяйственных животных и птиц?

21. Что такое радиоактивность?

22. В каких единицах измеряется доза радиоактивности? Как они связаны между собой?

23. Как измерить дозу радиоактивности?

24. В чем заключается биологическое действие радиоактивности?

25. Человек получил всем телом 0,08 Дж/кг гамма-излучения, другой выпил радиоактивное вещество и получил 700 мР альфа-частиц. Который из них получит большие биологические повреждения?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебник/Т.И. Трофимова- 17-е изд., перераб. и доп.-М.: Академия.-2008.- 558с.

2. Биофизика: Учебник для студентов высших учебных заведений.-М.:ВЛАДОС,1999.-288с.

3. Чикалев А.И. Зоогигиена с основами проектирования животноводческих объектов: Учебное пособие.- 1-е изд.- СПб.;Лань, 2006.-224с.

4. Белановский А.С. Основы биофизики в ветеринарии: Учебное пособие/ А.С. Белановский. – 4-е изд., перераб. и доп.- М.: ДРОФА, 2007.- 332с.

5. Основы физики и биофизики: Учеб. пособие для вузов / А.И. Журавлев, А.С. Белановский, В.Э. Новиков и др. – 2-е изд., исправленное. – М.: Бином, 2008.– 383с.

6. Сборник задач по физике: Учебное пособие для вузов/ Р.Н. Безверхняя, Н.И. Гороховская, Р.И. Грабовский и др.; Под ред. Р.И. Грабовского.– 3-е изд.- СПб: ЛАНЬ, 2007.- 128с.

7. Зиппер А.Ф. Справочник зоотехника.- М.:АСТ,2007.-446 с.

8. Справочник по ветеринарии/ В.Баланин, В.Давыдов, Г.Дугин, Г.Кононов.- М.:Колос,1978.-400 с.

9. Пронин В.П. Практикум по физике: Учебное пособие для с.-х. вузов. – СПб: ЛАНЬ. 2009.- 256с.

10. Белановский А.С. Международная система единиц и применение ее в ветеринарии. Учебное пособие/ А.С. Белановский, В.И. Максимов.- М.: МГАВМиБ.-2006.- 55с.

11. Белановский А.С. Изучение физических свойств жидкостей: Методические указания /А.С. Белановский, С.А. Семикина.- М.: МГАВМиБ.- 2009.-16 с.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ПО НАПРАВЛЕНИЮ 111801.65

«ВЕТЕРИНАРИЯ»

Белгород 2015

УДК 577.3

ББК 28.071

Б 26

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Лабораторная работа № 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

12 3 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2019-03-21; Просмотров: 142; Нарушение авторского права страницы