У підручнику наведені основні положення, закони та теорії з курсу загальної фізики для студентів ветеринарних, сільськогосподарських, екологічних, лісогосподарських та інших спеціальностей, для яких фізика не є

домінуючою дисципліною, але які мають справу з вивченням живих організмів та оточуючого їх середовища. Підручник може бути також використаний студентами біологічних, медичних та педагогічних спеціальностей.

Розглянуто фізичні процеси, що відбуваються у живому організмі, та

механізми, які становлять основу життєдіяльності людини, тварини та рослини під впливом навколишнього середовища. Викладено проблеми дії зовнішніх фізичних факторів на живі організми та їх здатності реагувати на ці

фактори. Приділено увагу принципам дії та можливим застосуванням сучасних фізичних методів та приладів у практичній діяльності майбутнього

спеціаліста.

Підручник містить приклади розв’язування практичних біофізичних

проблем, контрольні завдання для перевірки засвоєння матеріалу студентами та контрольні запитання, відповіді на які студенти зможуть дати у разі

ознайомлення із відповідними розділами підручника. Довідковий матеріал

представлений у додатку.

Підручник призначений для студентів вищих навчальних закладів. 

                                      ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА ......................................................................................3

1. ВСТУП..............................................................................................5

1.1. Фізичні величини...........................................................................5

1.2. Стандарти довжини, маси та часу................................................5

1.3. Густина ...........................................................................................7

1.4. Скаляри і вектори ..........................................................................10

1.4.1. Дії над векторами........................................................................10

1.4.2. Скалярний та векторний добутки .............................................12

2. МЕХАНІКА......................................................................................14

2.1. Основні визначення.......................................................................14

2.2. Кінематика......................................................................................14

2.2.1. Кінематика матеріальної точки і поступального

руху твердого тіла ................................................................................14

2.2.2. Кінематика руху матеріальної точки по колу .........................17

2.3. Динаміка .........................................................................................18

2.3.1. Динаміка матеріальної точки і поступального

руху твердого тіла ................................................................................18

2.3.2. Закон збереження імпульсу замкнутої системи.......................19

2.3.3. Центр мас та закон його руху....................................................20

2.3.4. Реактивний рух у природі..........................................................21

2.4. Сили тяжіння..................................................................................22

2.4.1. Закон всесвітнього тяжіння .......................................................22

2.4.2. Гравітаційне поле .......................................................................24

2.4.3. Гравітація та живі організми .....................................................24

2.4.4. Вага тіла.......................................................................................25

2.5. Пружні сили ...................................................................................26

2.5.1. Деформації твердого тіла...........................................................26

2.5.2. Закон Гука ...................................................................................27

2.5.3. Вимірювання модуля Юнга .......................................................31

2.5.4. Потенціальна енергія пружно-деформованого тіла ................33

2.5.5. Пружні властивості біологічних матеріалів.............................33

2.6. Сили тертя ......................................................................................37

2.7. Сили, що виникають під час криволінійного руху.....................38

2.8. Робота, потужність та енергія ......................................................39

2.8.1. Робота постійної сили ................................................................39

2.8.2. Робота змінної сили....................................................................39

- 462 -

2.8.3. Потужність ..................................................................................40

2.8.4. Консервативні сили ....................................................................40

2.8.5. Енергія .........................................................................................41

2.8.6. Енергія та обмін речовин...........................................................42

2.9. Кінематика і динаміка обертального руху твердого тіла...........43

2.9.1. Кінематичні характеристики обертального руху ....................43

2.9.2. Динамічні характеристики обертального руху........................44

2.9.3. Основне рівняння динаміки обертального руху......................46

2.9.4. Закон збереження моменту імпульсу........................................47

2.9.5. Вимірювання параметрів вітру..................................................50

2.9.6. Вітроенергетика ..........................................................................50

2.10. Cтатика твердого тіла..................................................................51

2.10.1. Умови статичної рівноваги......................................................51

2.10.2. Важіль. Умови рівноваги важеля ............................................52

2.10.3. Опорно-руховий апарат тварини.............................................53

3. МЕХАНОРЕЦЕПЦІЯ ....................................................................55

3.1. Механорецептори шкіри...............................................................55

3.1.1. Тактильна чутливість .................................................................55

3.1.2. Вестибулорецепція .....................................................................56

3.1.3. Інтерорецепція ............................................................................57

3.1.4. Тигмонастичні рухи рослин.......................................................58

4. МЕХАНІКА РІДИННИХ ТА ГАЗОВИХ ПОТОКІВ................62

4.1. Тиск.................................................................................................62

4.1.1. Визначення тиску .......................................................................62

4.1.2. Атмосферний тиск......................................................................62

4.1.3. Тиск води.....................................................................................64

4.1.4. Закон Архімеда ...........................................................................64

4.1.5. Методи вимірювання тиску.......................................................65

4.2. Гідродинаміка ................................................................................68

4.2.1. Рух ідеальної рідини...................................................................68

4.2.2. Рух в’язкої рідини.......................................................................71

4.2.3. Ламінарна і турбулентна течії ...................................................72

4.2.4. Закон Гагена-Пуазейля...............................................................72

4.2.5. Седиментація...............................................................................73

4.2.6. Ультрацентрифугування ............................................................75

4.3. Основи гемодинаміки....................................................................77

4.3.1. Склад крові..................................................................................77

4.3.2. Фізичні принципи вимірювання швидкості

осідання еритроцитів............................................................................78

4.3.3. Фізичні принципи захворювань кровоносних судин ..............80

- 463 -

4.4. Робота серця...................................................................................81

4.5. Тиск крові.......................................................................................82

4.5.1. Артеріальний тиск ......................................................................82

4.5.2. Вимірювання тиску крові...........................................................83

4.5.3. Сучасні прилади для вимірювання тиску.................................84

4.6. Поверхневий натяг ........................................................................85

4.7. Капілярні явища.............................................................................88

4.8. Аеродинаміка .................................................................................91

4.8.1. Атмосферні частинки.................................................................91

4.8.2. Рух атмосферних частинок ........................................................92

4.8.3. Аеродинаміка пташиного польоту............................................96

5. КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ.................................................................99

5.1. Механічні коливання.....................................................................99

5.2. Основні характеристики гармонічного коливання.....................100

5.3. Енергія механічних гармонічних коливань.................................101

5.4. Математичний маятник.................................................................102

5.5. Згасаючі коливання .......................................................................104

5.6. Вимушені коливання.....................................................................104

5.7. Біжуча хвиля ..................................................................................105

5.8. Стояча хвиля ..................................................................................106

5.9. Биття коливань...............................................................................107

5.10. Розкладання складних коливань у ряд Фур’є ...........................108

5.11. Механічні коливання антропогенного та природного

походження ...........................................................................................109

5.11.1. Вібрації ......................................................................................109

5.11.2. Вплив вібрацій на живі організми...........................................110

5.11.3. Землетруси ................................................................................111

5.12. Коливальні процеси у природі ...................................................113

5.12.1. Екологічна модель Вольтерра–Лотка .....................................113

5.12.2. Утворення колоній колективними амебами...........................117

6. АКУСТИКА.....................................................................................120

6.1. Хвилі в пружному середовищі .....................................................120

6.2. Звук та його характеристики ........................................................121

6.2.1. Енергія, інтенсивність та тиск звукових коливань..................121

6.2.2. Рівень інтенсивності звукових коливань..................................123

6.2.3. Суб’єктивні характеристики звукових хвиль ..........................124

6.2.4. Резонансні явища........................................................................124

6.2.5. Ефект Допплера ..........................................................................126

6.2.6. Падіння звукової хвилі на межу поділу двох середовищ .......128

- 464 -

6.2.7. Фізичні процеси, що супроводжують поширення

звуку в навколишньому середовищі...................................................129

6.3. Ультразвук та його характеристики...........................................130

6.3.1. Генерація ультразвуку................................................................130

6.3.2. Поглинання та глибина проникнення ультразвуку .................131

6.3.3. Розбіжність ультразвукової хвилі в середовищі......................133

6.4. Інфразвук........................................................................................133

6.5. Шум................................................................................................134

6.5.1. Розподіл шуму за інтенсивністю...............................................134

6.5.2. Сумарний шум ............................................................................135

6.5.3. Розподіл шуму за частотою .......................................................135

6.5.4. Шумове забруднення..................................................................136

6.5.5. Вимірювання рівнів шуму .........................................................137

6.6. Основи біологічної акустики........................................................138

6.6.1. Утворення звуків тваринами .....................................................138

6.6.2. Акустична комунікація тварин..................................................139

6.6.3. Ультразвук у тваринному світі.................................................140

6.7. Вплив акустичних стимулів на живі організми..........................140

6.7.1. Механізми впливу ультразвуку на біологічні об’єкти............140

6.7.2. Вплив інфразвуку на живі організми........................................141

6.8. Акусторецепція..............................................................................141

6.9. Прикладна акустика ......................................................................146

6.9.1. Застосування акустичних сигналів штучного походження ....146

6.9.2. Застосування ультразвуку в медицині......................................147

7. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА...........................................................149

7.1. Ідеальний газ..................................................................................149

7.2. Молекулярно-кінетична теорія газів ..........................................151

7.3. Молекулярна інтерпретація температури ...................................152

7.4. Ізопроцеси ......................................................................................153

7.5. Розподіл молекул за швидкостями...............................................154

7.6. Середня довжина вільного пробігу молекул...............................155

7.7. Випаровування та конденсація.....................................................156

7.8. Реальний газ...................................................................................156

7.9. Вологість повітря...........................................................................158

7.9.1. Характеристики вологості повітря............................................158

7.9.2. Методи вимірювання вологості повітря...................................159

7.10. Осмос ............................................................................................164

7.11. Аромат продуктів ........................................................................166

7.12. Нюх і смак ....................................................................................167

7.12.1. Нюх ............................................................................................167

- 465 -

7.12.2. Нюховий аналізатор .................................................................169

7.12.3. Механізми нюху .......................................................................169

7.12.4. Методи аналізу запахів ............................................................170

7.12.5. Смак ...........................................................................................172

7.12.6. Смаковий аналізатор ................................................................172

7.13. Принципи фіторемедіації............................................................173

8. ТЕРМОДИНАМІКА.......................................................................176

8.1. Температура і теплове розширення тіл .......................................176

8.1.1. Температура ................................................................................176

8.1.2. Температурні шкали...................................................................176

8.1.3. Одиниці температури.................................................................178

8.1.4. Температура атмосфери.............................................................179

8.1.5. Теплове розширення тіл.............................................................181

8.2. Вимірювання температури ...........................................................182

8.3. Термодинаміка рівноважних станів.............................................187

8.3.1. Параметри термодинамічної системи.......................................187

8.3.2. Внутрішня енергія системи .......................................................188

8.3.3. Теплоємність та питома теплоємність......................................188

8.3.4. Робота та енергія.........................................................................189

8.3.5. Перший закон термодинаміки...................................................190

8.3.6. Застосування першого закону термодинаміки до

певних термодинамічних процесів .....................................................192

8.3.7. Ентальпія. Закон Гесса ...............................................................193

8.3.8. Тепловий двигун.........................................................................195

8.3.9. Цикл Карно..................................................................................195

8.3.10. Другий закон термодинаміки ..................................................199

8.3.11. Ентропія та її властивості ........................................................200

8.3.12. Ентропія та неупорядкованість ...............................................204

8.4. Термодинаміка необоротних процесів ........................................205

8.4.1. Стаціонарний стан......................................................................205

8.4.2. Зміна ентропії..............................................................................206

8.4.3. Продукція ентропії .....................................................................207

8.4.4. Локальна продукція ентропії.....................................................208

8.5. Нерівноважна термодинаміка.......................................................209

8.5.1. Дисипативна функція .................................................................209

8.5.2. Явища перенесення ....................................................................209

8.5.3. Перенесення маси (дифузія) ......................................................211

8.5.4. Перенесення маси (об’ємний потік води) ................................213

8.5.5. Перенесення теплоти (теплопровідність).................................214

8.5.6. Перенесення теплоти (конвекція) .............................................215

- 466 -

8.5.7. Перенесення імпульсу (в’язкість) .............................................217

8.5.8. Принцип симетрії феноменологічних коефіцієнтів ................218

8.5.9. Теорема Пригожина ...................................................................219

9. ЕЛЕКТРИКА...................................................................................222

9.1. Електростатика ..............................................................................222

9.1.1. Електричний заряд. Властивості електричних

зарядів....................................................................................................222

9.1.2. Закони електричного поля .........................................................223

9.1.3. Напруженість електричного поля .............................................223

9.1.4. Електричний диполь...................................................................225

9.1.5. Рух зарядженої частинки в однорідному

електричному полі................................................................................226

9.1.6. Осцилограф .................................................................................226

9.1.7. Електричний потік......................................................................227

9.1.8. Теорема Остроградського–Гаусса.............................................228

9.1.9. Циркуляція вектора напруженості

електростатичного поля .......................................................................230

9.1.10. Потенціал електростатичного поля.........................................231

9.1.11. Електростатичний уловлювач .................................................233

9.1.12. Іонний мікроскоп......................................................................233

9.1.13. Провідники в електростатичному полі...................................235

9.1.14. Діелектрики в електростатичному полі..................................236

9.1.15. Електрична ємність ..................................................................238

9.2. Постійний електричний струм .....................................................240

9.2.1. Електричний струм.....................................................................240

9.2.2. Електричне коло .........................................................................241

9.2.3. Аналоги опорів у рослинному організмі..................................243

9.2.4. Закони постійного струму..........................................................244

9.2.5. Термоелектричні явища .............................................................247

9.2.6. Електричні прилади....................................................................250

10. ЕЛЕКТРИЧНІ ПОЛЯ ПРИРОДНОГО ПОХОДЖЕННЯ.....254

10.1. Іоносфера......................................................................................254

10.2. Блискавки .....................................................................................256

10.3. Полярні сяйва...............................................................................258

11. ЕЛЕКТРИЧНА АКТИВНІСТЬ ЖИВОГО ОРГАНІЗМУ.....259

11.1. Біологічні потенціали..................................................................259

11.2. Техніка вимірювання мембранних струмів...............................262

11.3. Електрична активність серця. Принципи

електрокардіографії..............................................................................263

- 467 -

11.4. Електрична активність мозку. Принципи

електроенцефалографії.........................................................................265

11.5. Утворення електричних полів рибами.......................................264

12. ВПЛИВ ЕЛЕКТРИЧНИХ ПОЛІВ НА ЖИВІ

ОРГАНІЗМИ........................................................................................267

12.1. Електрофорез ...............................................................................267

12.2. Вплив електричних полів антропогенного походження

на живі організми .................................................................................269

13. ЕЛЕКТРОРЕЦЕПЦІЯ .................................................................271

14. ПРИКЛАДНА ЕЛЕКТРИКА......................................................272

14.1. Застосування електрофізичних методів у

тваринництві .........................................................................................272

14.2. Методи електролікування...........................................................273

15. МАГНЕТИЗМ................................................................................277

15.1. Магнітне поле. Магнітна індукція .............................................277

15.2. Сила лоренца................................................................................277

15.3. Закон Ампера ...............................................................................279

15.4. Закон повного струму для магнітного поля у вакуумі.............280

15.5. Струм зміщення ...........................................................................281

15.6. Ефект Холла .................................................................................282

15.7. Закон Біо-Савара-Лапласа ..........................................................282

15.8. Магнітні властивості речовини ..................................................283

15.9. Магнітне поле Землі....................................................................285

15.10. Електромагнітна індукція .........................................................286

15.11. Рівняння Максвелла ..................................................................289

15.12. Самоіндукція..............................................................................290

15.13. Взаємоіндукція...........................................................................291

15.14. Електричне коло змінного струму ...........................................292

15.15. Резонанс напруг .........................................................................295

15.16. Електромагнітні коливання ......................................................295

15.17. Токамак.......................................................................................298

15.18 Великий адронний колайдер .....................................................299

16. МАГНІТНА АКТИВНІСТЬ ОРГАНІЗМУ ..............................301

16.1. Джерела магнітного поля в живому організмі..........................301

16.2. Принципи магнітографії .............................................................301

17. ВПЛИВ МАГНІТНИХ ПОЛІВ НА ЖИВІ ОРГАНІЗМИ......303

18. МАГНІТОРЕЦЕПЦІЯ.................................................................304

- 468 -

19. ПРИКЛАДНИЙ МАГНЕТИЗМ.................................................305

19.1. Методи магнітотерапії ................................................................305

20. ОПТИКА ........................................................................................307

20.1. Природа світла .............................................................................307

20.2. Геометрична оптика ....................................................................307

20.2.1. Основні закони геометричної оптики.....................................308

20.2.2. Повне внутрішнє відбивання...................................................309

20.2.3. Тонкі лінзи.................................................................................311

20.2.4. Оптичний мікроскоп ................................................................314

20.2.5. Окуляр-мікрометр і об’єкт-мікрометр....................................315

20.2.6. Окулярний гвинтовий мікрометр............................................316

20.3. Хвильова оптика ..........................................................................317

20.3.1. Світло як електромагнітна хвиля ............................................317

20.3.2. Інтерференція світла.................................................................317

20.3.3. Методи спостереження інтерференції світла.........................319

20.3.4. Дифракція світла.......................................................................321

20.3.5. Дифракційна решітка ...............................................................324

20.3.6. Дисперсія світла........................................................................325

20.3.7. Принцип дії спектральних приладів .......................................326

20.3.8. Поляризація світла....................................................................327

20.3.9. Методи одержання поляризованого світла ............................329

20.3.10. Оптична активність речовини ...............................................331

20.4. Квантова оптика...........................................................................333

20.4.1. Квантова природа світла ..........................................................333

20.4.2. Фотоелектричний ефект...........................................................333

20.4.3. Ефект Комптона........................................................................335

20.5. Квантові властивості випромінювання......................................337

21. ОСНОВИ ФОТОБІОЛОГІЇ........................................................340

21.1. Параметри оптичного випромінювання ....................................340

21.2. Сонячне випромінювання ...........................................................340

21.3. Вплив оптичного випромінювання видимого

діапазону на живі організми................................................................342

21.4. Вплив оптичного випромінювання

ультрафіолетового діапазону на живі організми...............................344

22. ФІЗІОЛОГІЧНА ОПТИКА.........................................................346

22.1. Фоторецепція у живих організмів..............................................346

22.1.1. Фоторецепція у комах ..............................................................346

22.1.2. Зоровий аналізатор риб............................................................348

22.1.3. Зоровий аналізатор птахів........................................................348

- 469 -

22.1.4. Зоровий аналізатор ссавців......................................................349

22.1.5. Механізми зору ссавців............................................................350

23. ПРИКЛАДНА ОПТИКА .............................................................353

23.1. Методи вимірювання сонячного випромінювання ..................353

23.1.1. Теплові детектори.....................................................................353

23.1.2. Квантові детектори...................................................................355

23.2. Вимірювання кольору продуктів ...............................................355

23.2.1. Параметри кольору...................................................................355

23.2.2. Колориметрія ............................................................................356

23.2.3. Спектрофотометр з 00

/450 геометрією ....................................356

23.2.4. Колориметр зі сферичною геометрією...................................356

23.2.5. Застосування колориметричних методів................................357

24. ЕЛЕМЕНТИ КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ .................................360

24.1. Корпускулярно-хвильовий дуалізм ...........................................360

24.2. Хвильові властивості частинок ..................................................360

24.3. Електронний мікроскоп ..............................................................362

24.4. Співвідношення невизначеностей..............................................363

24.5. Хвильова функція ........................................................................364

24.6. Стаціонарне рівняння Шредінгера.............................................364

24.7. Лінійний гармонічний осцилятор ..............................................365

24.8. Скануючий тунельний мікроскоп ..............................................366

25. ЕЛЕМЕНТИ АТОМНОЇ ФІЗИКИ ............................................369

25.1. Моделі атома................................................................................369

25.2. Атом водню..................................................................................372

25.3. Принцип Паулі.............................................................................375

25.4. Нанотехнологія та наномедицина ..............................................376

26. ОСНОВИ ФІЗИКИ ЛАЗЕРІВ.....................................................379

26.1. Лазер та принцип його дії...........................................................379

26.2. Характеристики лазерного випромінювання ............................383

26.3. Фокусування лазерного випромінювання .................................386

26.4. Застосування лазерів ...................................................................386

26.4.1. Застосування лазерів у медицині ............................................386

26.4.2. Лазерна діагностика .................................................................387

26.4.3. Лазерна терапія .........................................................................389

26.4.4. Лазерна хірургія........................................................................390

26.4.5. Лазерні системи у дистанційному зондуванні

навколишнього середовища ................................................................391

26.4.6. Лазери у керованому термоядерному синтезі........................392

- 470 -

27. ОСНОВИ СПЕКТРОСКОПІЇ ....................................................393

27.1. Спектри атомів і молекул ...........................................................393

27.1.1. Спектри атомів..........................................................................393

27.1.2. Спектри молекул.......................................................................393

27.1.3. Електронні рівні енергії ...........................................................396

27.1.4. Коливальні рівні енергії...........................................................397

27.1.5. Обертальний рух молекул........................................................398

27.1.6. Процеси дезактивації................................................................399

28. ЕЛЕМЕНТИ ФІЗИКИ ТВЕРДОГО ТІЛА ...............................401

28.1. Типи зв’язків у твердих тілах .....................................................401

28.1.1. Іонні кристали...........................................................................401

28.1.2. Ковалентні кристали ................................................................402

28.1.3. Металеві кристали ....................................................................402

28.2. Зонна теорія..................................................................................402

28.3. Напівпровідники..........................................................................405

28.4. Напівпровідникові прилади........................................................406

28.4.1. Терморезистор ..........................................................................406

28.4.2. Напівпровідниковий діод.........................................................406

28.4.3. Напівпровідниковий тріод.......................................................407

28.4.4. Напівпровідниковий фотоприймач.........................................408

28.4.5. Напівпровідниковий лазер.......................................................408

28.4.6. Моделювання фотосинтезу......................................................408

29. ЯДЕРНА ФІЗИКА ........................................................................411

29.1. Властивості атомного ядра .........................................................411

29.2. Ядерний спін та магнітний момент............................................411

29.3. Ядерний магнітний резонанс......................................................412

29.4. Енергія зв’язку .............................................................................416

30. ІОНІЗУЮЧЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ.......................................417

30.1. Класифікація іонізуючого випромінювання .............................417

30.2. Радіоактивність ............................................................................417

30.2.1. Радіоактивний розпад...............................................................417

30.2.2. Закон радіоактивного розпаду.................................................418

30.3. Рентгенівське випромінювання..................................................420

30.4. Дозиметрія іонізуючого випромінювання.................................421

30.4.1. Дози іонізуючого випромінювання.........................................421

30.4.2. Поглинання іонізуючого випромінювання ............................423

30.5. Вимірювання іонізуючого випромінювання............................424

30.5.1. Основні методи вимірювання іонізуючого

випромінювання ...................................................................................424

- 471 -

30.5.2. Принципи γ-спектроскопії.......................................................429

30.6. Вплив іонізуючих випромінювань на живі організми .............433

30.6.1. Механізми впливу іонізуючих випромінювань .....................433

30.6.2. Радіоактивні забруднення........................................................433

31. РАДІОІЗОТОПИ...........................................................................436

31.1. Атомне ядро та ізотопи ...............................................................436

31.2. Радіоізотопи у медицині .............................................................436

31.3. Радіоізотопи та рослини..............................................................437

31.4. Утворення зображень ..................................................................437

31.5. Ізотопна хронологія.....................................................................439

ДОДАТКИ ...........................................................................................441

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ ..................................................................449

ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК.........................................................454

ІМЕННИЙ ПОКАЖЧИК..................................................................460

ЗМІСТ...................................................................................................461