Vật lý lý sinh y học

TRƯỜNG ĐẠI
■ HỌC
■ Y HÀ NỘI
■

BỘ MÔN Y VẬT LÝ

VẬT LÝ
LÝ SINH Y HỌC


TRƯỜNG ĐẠI
NỘI
■ HỌC Y HÀ
■

•

BỘ MÔN Y VẬT LÝ

VẬT LÝ
LÝ SINH Y HỌC
( Tái bản lần th ứ nh ất, có sửa ch ữ a và bổ su n g )

NHÀ XUẤT BẢN Y HỌC
HÀ N Ộ I-2011


Đồng chủ biên:

PG S. TS. Nguyễn Văn Thiên

G S. TSKH . Phan Sỹ An

Tham gia biên soạn:

GS. TSKH . Phan Sỹ An
PG S. TS. Nguyễn Văn Thiện
T S. Phan Thị Lê Minh
ThS. Đoàn Thị Giáng Hương
CN. Nguyễn Thanh Thủy
ThS. Trần Thị Ngọc Hoa
ThS. Ngô Dũng Tuấn
ThS. Nguyễn Thị Lệ

Thư ký biên soạn:

ThS. Đoàn Thị Giáng Hương

2


LỜI NÓI ĐẦU

Vật lý là một trong những môn khoa học cơ bản mà mọi ngành khoa học ứng
dụng và công nghệ đều rất cần, y học cũng vậy. Chúng ta đều biết rằng mọi quá
trình và hoạt động trong cơ thể người khỏe mạnh hay bệnh tật đều tuân theo
những nguyên lý và quy luật của vật lý học, ngoài các quy luật thuộc loại hình khoa
học khác như hóa học, sinh học,.... Nhiều yếu tố vật lý từ môi trường sông hoặc từ
cá thể và tập hợp sinh vật khác liên quan cũng gây nên những ảnh hưởng lón nhỏ
đến hoạt động sinh học trong con người, gây ảnh hưởng tốt hoặc xấu cho sức khỏe.
Hơn thế nữa, ngày nay nhiều thành tựu của các ngành khoa học, công nghệ và kỹ

thuật đã tạo ra các phương tiện, máy móc, biện pháp khác nhau và rất hữu hiệu
giúp cho người thầy thuốc và nhân viên V tế trong khám, chữa, phòng bệnh, chăm
sóc, nâng cao sức khỏe con người cũng như trong nghiên cứu y học. Các phương tiện
và kỹ thuật đó là thành tựu của các tiến bộ của nhiều ngành khoa học nhưng cốt
yếu nhất vẫn là vật lý, hóa học, y học. Trong quá trình phát triển cũng đã hình
thành nên nhiều ngành khoa học ở miền giao giữa các bộ môn khoa học khác nhau
như hóa lý, hóa sinh, lý sinh...
Lý sinh là môn khoa học liên ngành bao gồm các nội dung về khảo sát các
hiện tượng và quá trình sinh học bằng các kiến thức vật lý. Lý sinh học đã hình
thành từ lâu và phát triển nhanh chóng, thâm nhập sâu vào quy mô phân tử, tê
bào, mô, tập hợp các vi sinh vật ở mức độ genomic hay proteinomic nên đôi khi khó
mà phân chia được rạch ròi một vân đề nào đó là hóa sinh, sinh lý học, di truyền,
miễn dịch học hay lý sinh. Do nội dung lý sinh rất phong phú nên khi áp dụng vào
y học được gọi là lý sinh y học (medical biophysics). Nó vẫn thuộc lĩnh vực khoa học
cơ bản.
Các môn khoa học cơ bản là nền tảng rất quan trọng cho y học nên từ lâu, ở
tất cả các nước trên thế giới, sinh viên y khoa đều được học về toán, lý, hóa, sinh...
trước khi chính thức bước vào chuyên ngành y. ở nước ta, từ sau khi kết thúc
kháng chiến chông Pháp, tiếp quản thủ đô, Trường Đại học Y Hà Nội đã giảng dạy
môn y vật lý có nội dung tương tự như các chương trình đại học y của Pháp lúc bấy
giò. Trong quá trình phát triển đất nước, vào những năm 60 của thế kỷ trước, Bộ
Đại học và Trung học chuyên nghiệp đã nâng cao vai trò các môn khoa học cơ bản
kể cả cho các trường y dược. Do vậy, có lúc chương trình y vật lý đã lên đến vài
trăm tiết. Tuy nhiên, do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kế cả sinh học và y
học, nhiều môn học mới cần thiết phải đưa vào chương trình y khoa. Để giảm tải và
nâng cao tính thực dụng, số giờ của các môn cơ bẩn trong đó có y vật lý đã phải cắt

3

giảm. Sang đầu những năm 1970, trong khuôn khổ cải cách giáo dục, Bộ Y tế có chủ
trương đưa môn lý sinh - gần gũi và thiết thực hơn với y học - vào chương trình
giảng dạy. Nhờ thuận lợi hơn về cán bộ và điều kiện, Trường Đại học Y Hà Nội đã
tiên phong thực hiện chủ trương đó, từng bước xây dựng và hoàn thiện chương
trình, biên soạn tài liệu, giảng dạy trực tiếp và bồi dưõng cho cán bộ giảng dạy liên
quan của các trường khác trong cả nước. Thành công và kinh nghiệm thu được là
nhò sự chỉ đạo của Vụ Khoa học và Đào tạo Bộ Y tế, nhiều thế hệ lãnh đạo của Ban
Giám hiệu và các cán bộ nhân viên Bộ môn Y vật lý, Trường Đại học Y Hà Nội.
Một trong những kết quả thu được là các cuốn sách giáo khoa vật lý và lý sinh
y học được Nhà xuất bản Y học chính thức ấn hành từ năm 1994 đến 2005. Hiện
nay, do nhu cầu của sinh viên nhà trường và nhiều cơ sở đào tạo khác, Nhà xuất
bản Y học đã đê nghị tái bản cuốn “Vật lý Lý sinh Y học” xuất bản năm 2006.
Nhân dịp này, chúng tôi đã có một số sửa chữa, bổ sung cho hoàn chỉnh hơn. Nội
dung chủ yếu chúng tôi muôn cung cấp là về lý sinh y học. Tuy nhiên, để hiểu rõ và
sử dụng được các kiến thức lý sinh phải có một nền tảng kiến thức vật lý học cần
thiết. Vì vậy, chúng tôi đã biên soạn các bài trong cuốn sách theo trật tự thông
thường của vật lý học là năng lượng, chuyến động, cơ, điện, quang, hạt nhân... Mỗi
bài thường bắt đầu bằng việc đề cập đến những kiến thức vật lý tiếp theo là những
kiến thức vê lý sinh và ứng dụng được lồng ghép thích hợp cho dễ tiếp thu và hấp
dẫn người đọc.
Đây là kêt quả của quá trình nghiên cứu, tham khảo từ nước ngoài, thử
nghiệm và đúc kết kinh nghiệm qua nhiều thế hệ của cả Bộ môn Y vật lý tại
Trường Đại học Y Hà Nội từ nhiều thập niên đến nay. Với cuốn sách tái bản lần
này, chúng tôi hy vọng cung cấp một tài liệu chính thức, hữu ích và thiết thực cho
người đọc. Tuy nhiên, chắc vẫn còn một số chi tiết dài dòng thậm chí ít bổ ích. Kính
mong bạn đọc góp ý để lần xuất bản sau được hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!.
TH A Y MẶT TẬP TH Ể BIÊN SOẠN
GS.TSKH. PHAN SỶ AN, N h à g iá o n h ả n d â n

Chủ tịch Hội Vật lý Y học Việt Nam
Phó Chủ tịch Hội Điện quang và Y học hạt nhăn Việt Nam
Nguyên chủ nhiệm Bộ môn Y vật lý, kiêm- chủ nhiệm Bộ môn Y học
hạt nhăn, Đại học Y Hà Nội
Nguyên trưởng khoa Y học hạt nhăn và Ung bướu, Bệnh viện Bạch Mai

4


MỤC
LỤC
*
•
1. Đơn vị đo lư ờ ng - Một sô q u y lu ậ t cơ bản

11

1. Mở đầu

11

2. Đo lường và đơn VỊ đo

12

2.1. Hệ đo lường quốc tê và hệ đo lưòng hợp pháp của Việt Nam

12

2.2. Thứ nguyên của một đại lượng vật lý

13

2.3. Đại lượng vô hưống và đại lượng vectơ

15

2.4. Độ lớn của khôi lượng, chiều dài, thời gian của một số đối tượng

16

3. Một sô" đặc điểm của các hiện tượng lý sinh

17

3.1. Tính thông kê

17

3.2. Tính quy luật hàm mũ

19

3.3. Tính quy luật liên hệ ngược

20

3.4. Sự chi phí năng lượng tôi thiểu

21

3.5. Ngưỡng

22

3.6. Tính quy luật đôi xứng

23

2. S ự b iế n đối n ă n g lư ợ ng ở cơ t h ể s ố n g

24

1. Các dạng năng lượng có thế tồn tại trong cơ thế sông

24

1.1. Cơ năng

24

1.2. Điện năng

25

1.3. Hoá năng

25

1.4. Quang năng

25

1.5. Nhiệt năng

25

1.6. Năng lượng hạt nhân

26

2. Sự biến đổi năng lượng trong cơ thể sông

26

2.1. Sự biến đổi năng lượng ở cơ thê sông

26

2.2. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học

27

2.3. Áp dụng nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học cho hệ thông sống

33

2.4. Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học

37

2.5. Áp dụng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học cho hệ thông sống

48

3. C h u y ể n đ ộ n g tr o n g cơ th ế

55

1. Chuyên động phân tử

55

1.1. Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử và các hệ quả

55
5


1.2. Sức căng mặt ngoài và hiện tượng mao dẫn

57

1.3. Các hiện tượng vận chuyển vật chất trong cơ thể

62

1.4. Vận chuyển vật chất qua màng tế bào

72

2. Chuyển động của chất lỏng và sự vận chuyển máu trong cơ thể

81

2.1. Các phân tử và ion trong cơ thể

81

2.2. Các định luật về sự vận chuyển của chất lỏng

82

2.3. Sự vận chuyển máu

86

3. Khí và sự vận chuyển khí trong cơ thể con người

92

3.1. Hoạt động hô hấp

92

3.2. Các quy luật khuếch tán khí

94

3.3. Sự vận chuyển khí trong cơ thể

96

3.4. Những yếu tô" ảnh hưởng tối sự trao đổi khí trong cơ thể con người

96

4. Chuyển động cơ học trên cơ thể sông

97

4.1. Đại cương về chuyển động cơ học

97

4.2. Chuyển động cơ học trên cơ thể sông

103

B ài 4. D ao đ ộ n g và só n g

110

1. Dao động cơ học

110

1.1. Dao động điều hoà

111

1.2. Dao động tắt dần

113

1.3. Dao động cưõng bức và hiện tượng cộng hưởng

114

1.4. Tổng hợp và phân tích dao động

116

2. Sóng cơ học trong môi trường đàn hồi

118

2.1. Môi trường đàn hồi

118

2.2. Sóng cơ học

118

3. Dao động và sóng điện từ
3.1. Mạch dao động điện từ. Định nghĩa dao động điện từ

125

3.2. Dao động điện từ điều hoà (không tắt)

126

3.3. Sự tương tự giữa dao động điện từ không tắt và dao động điều
hoà của con lắc đơn

128

3.4. Dao động điện từ tắt dần

129

3.5. Cách tạo ra sóng điện từ

131

4. Biến đổi, khuếch đại và ghi giữ tín hiệu

6

125

139


4.1. Biến đổi tín hiệu không điện thành điện

139

4.2. Nguyên lý khuếch đại tín hiệu điện

141

4.3. Ghi và bảo quản tín hiệu điện

145

5. Am và siêu âm

148

5.1. Bản chất vật lý của âm và siêu âm

148

5.2. Nguồn phát âm

150

5.3. Các đặc trưng của cảm giác âm

152

5.4. Sơ lược về quá trình nghe

157

5.5. Cơ sở vật lý của phương pháp âm trong chẩn đoán

160

5.6. Sơ lược về ứng dụng siêu âm trong ngành y

162

6. Sóng và sự sông

167

6.1. Sơ lược về tác động của sóng đếnsự sông. Tác động của sóng đến
sự sổng có lợi hay có hại?

167

6.2. Sơ lược về nhịp sinh học

168

B ài 5. Đ iệ n và sự s ô n g

1. Điện thê sinh vật ở tế bào sông

170

171

1.1. Điện thế nghỉ

171

1.2. Điện thế hoạt động trên tế bào thần kinh

175

1.3. Sự lan truyền điện thế hoạt động trên tế bào thần kinh

179

2. Điện thê hoạt động của tổ chức sống

181

2.1. Điện thế hoạt động của tim

181

2.2. Các điện th ế hoạt động khác được dùng nhiều trong chẩn đoán

187

3. Tác dụng của dòng điện lên cơ thể

189

3.1. Phản ứng của cơ và thần kinh đốì với kích thích điện

189

3.2. Các thông sô"điện của cơ thể

192

3.3. Nguy hiểm do điện. Các biện pháp an toàn điện

194

3.4. Tác dụng tích cực của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng trong y khoa

198

B ài 6. Các đ ịn h lu ậ t q u a n g h ìn h cơ b ả n - m ắ t

1. Các định luật cơ bản của quang hình học và một số dụng cụ quang hình

204

204

1.1. Các định luật cơ bản của quang hình học

204

1.2. Một sô' dụng cụ quang hình

207

2. Mắt và dụng cụ bổ trợ
2.1. Quang hình học của mắt

223
223

7


2.2. Khả năng phân ly của mắt

226

2.3. Các tật quang hình của mắt và dụng cụ bổ trợ

229

B à i 7. B ản c h ấ t c ủ a á n h s á n g

1. Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng

235

1.1. Thuyết sóng điện từ về bản châ't của ánh sáng

235

1.2. Hiện tượng giao thoa ánh sáng

238

1.3. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

244

1.4. Hiện tượng phân cực ánh sáng

249

2. Thuyết lượng tử về bản chất của ánh sáng

250

2.1. Hiệu ứng quang điện ngoài

250

2.2. Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein và sự giải thích hiện
tương quang điện

252

3. Các mức năng lượng của tập hợp điện tử

257

3.1. Mức năng lượng của nguyên tử, phân tử

257

3.2. Hấp thụ ánh sáng và phát sáng

258

4. Laser

262

4.1. Khái niệm vể bức xạ cảm ứng

262

4.2. Laser và máy phát tia laser

263

4.3. Sơ lược vê tính chất của chùm tia laser

2‘ 65

4.4. ứng dụng của laser

265

B à i 8. T ác d ụ n g c ủ a á n h s á n g lê n cơ t h ể s ô n g

1. Đại cương về tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sôYig

267

267

1.1. Các giai đoạn chính của một quá trình quang sinh

267

1.2. Phân loại các quá trình quang sinh

268

1.3. Một số đặc điểm của quá trình quang sinh

268

2. Một số quá trình quang sinh

8

235

272

2.1. Quang hợp

272

2.2. Sinh tổng hợp sắc tố và vitamin

274

2.3. Tác dụng quang động lực (TDQĐL)

275

2.4. Tác dụng của tia tử ngoại lên các hệ thông sống

278

2.5. Thông tin thụ cảm ánh sáng

280


B ài 9. Bức xạ io n h o á và c ơ t h ể s ố n g

292

1. Khái niệm và nguồn gốc của bức xạ ion hoá

292

1.1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

292

1.2. Hiện tượng phóng xạ

293

1.3. Định luật phân rã phóng xạ

298

2. Tương tác của bức xạ ionhoá với vật chất

300

2.1. Tương tác của hạt vi mô tích điện với vật chất

300

2.2. Tương tác của photon năng lượng cao (tia Ỵvà tia X) với vật chất

303

2.3. Tương tác của neutron với vật chất

306

3. Sự hấp thụ nảng lượng bức xạ - Liều lượng bức xạ

308

3.1. Sự hấp thụ năng lượng bức xạ. Sự suy giảm cường độ bức xạ

308

3.2. Liều lượng bức xạ

310

3.3. Nguyên lý và các thiết bị ghi đo bức xạ ion hóa

312

4. Tác dụng của bức xạ ion hoá lên vật chất sông

317

4.1. Cơ chê tác dụng

317

4.2. Các tổn thương ở cơ thể sinh vật dưới tác dụng của bức xạ ion hoá

321

4.3. Các yếu tô" ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hoá

327

4.4. Các nguyên tắc về kiểm soát và an toàn bức xạ

330

Bài 10. Một sô ứ n g d ụ n g p h ổ b iế n c ủ a V ậ t lý k ỷ t h u ậ t tr o n g n g à n h Y

1. Phương pháp hiển vi
1.1. Nguyên lý phóng đại ảnh vật.

337

337

Kính lúp

337

1.2. Kính hiển vi quang học trường sáng (KHVQHTS)

338

1.3. Độ phóng đại. Khả năng phân ly

340

1.4. Các loại kính hiển vi khác

343

1.5. Cách đo kích thưóc các vật nhỏ bằng kính hiển vi

347

2. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử

349

2.1. Sự hấp thụ ánh sáng của môi trường vật chất

349

2.2. ứng dụng của quang phổ hấp thụ phân tử

352

3. Phương pháp tạo ảnh bằng tia X và cộng hưởng từ h ạ t nhân

357

3.1. Thiết bị tạo tia X

357

3.3. Chụp hình bằng cộng hưởng từ hạt nhân

366

4. Phương pháp phóng xạ

375

4.1. Phương pháp đánh dấu phóng xạ

376

4.2. Phương pháp dùng nguồn chiếu xạ

379

9


Bài 1

ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG - MỘT sô QUY LUẬT cơ BẢN
MỤC TIÊU HỌC TẬP

1.

Trình bày được vai trò của vật lý đối với các môn khoa học khác, đặc biệt
đối với nghiên cứu y học và bảo vệ sức khoẻ cộng đồng.

2. Vận dụng đúng vói các đơn vị đo lường của nhà nước trong công tác.
3. Nêu được những đặc điểm mang tính quy luật của các hiện tượng lý sinh.
1. MỞ ĐẦU

Những phát minh lớn trong vật lý (các định luật bảo toàn, tính chất lượng
tử...), những thuyết vật lý về bản chất của vật chất có đặc tính chung và trong
một mức độ khác nhau, có tác dụng đối với giới sông cũng như không sông, cho
nên có thể coi vật lý là cơ sở của mọi khoa học tự nhiên.
Vật lý và lý sinh (vật lý vể sự sông) quan hệ mật thiết với y học hiện đại là do:
-

Sự ứng dụng của những quy luật vật lý để nghiên cứu những quá trình
sống, để hiểu và giải thích những hiện tượng đó xảy ra trên cơ thể con
người, trên quần thể sông.

-

Sự ứng dụng những phương pháp vật lý, những máy móc trang thiết bị
trong việc chẩn đoán bệnh, trong điều trị bệnh, trong bảo vệ sức khoẻ
cộng đồng, trong việc bảo vệ môi trường sông.

-

Sự ứng dụng những phương pháp suy nghĩ được thừa nhận trong vật lý
cho việc xây dựng thê giới quan khoa học của người thầy thuốc.

Khi nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy ra trên vật thể sông hoặc không
sông, phương pháp phổ biến là tạo nên một hoàn cảnh thí nghiệm tương tự như sự
kiện đã xảy ra hoặc tạo nên một mô hình tương đối giông như hiện tượng được
khảo sát, trên cơ sở đó mà hoàn chỉnh dần các điều kiện (thông số) của hiện
tượng. Thí dụ để nghiên cứu về tim và hệ tuần hoàn, người ta có thể tạo nên một
hệ thông ông dẫn kín mà thành ống có tính đàn hồi, một máy bơm với công suất
xác định hoạt động liên tục...
Cho đến nay, các hiện tượng vật lý xảy ra được giải thích bằng 4 loại tương
tác sau:
-

Tương tác hấp dẫn: Tương tác này được diễn tả cơ bản bằng định luật hấp
dẫn vạn vật của Newton: hai vật bất kỳ hút nhau bằng một lực tỉ lệ vói
khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch vói bình phương khoảng cách giữa
chúng.

-

Tương tác điện từ: Tương tác này được diễn tả cơ bản bằng định luật
Coulomb, có dạng tương tự định luật hấp dẫn: hai điện tích hút (hoặc đẩy)

11


nhau bằng một lực tỉ lệ với các điện tích của chúng và tỉ lệ nghịch bình

phương khoảng cách giữa chúng.
Tương tác hạt nhân mạnh : Tương tác này xảy ra rất đáng kề trong phạm
vi kích thưóc hạt nhân, khoảng 10 15 m, nó đảm bảo sự tồn tại của hạt
nhân nguyên tử.
Tương tác hạt nhân yếu : Tương tác này được gắn liền với sự phát xạ hạt p
của hạt nhân.
Cho đến nay, tương tác điện từ đóng vai trò chủ yếu với hầu như mọi hiện
tượng xảy ra ở thê giới sông. Tương tác điện từ gắn liền với trường điện từ. Thời
gian gần đây, nhiều người nói đến sự tồn tại của trường sinh học tương ứng vối nó
là sự tương tác của trường sinh học nhưng bản chất của trường sinh học hiện nay
vẫn chưa được minh chứng rõ rệt.
2. ĐO LƯỜNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO
2.1. Hệ đo lưòng quốc tê và hệ đo lưòng hợp pháp của Việt Nam

Mỗi một thuộc tính của một dối tượng vật lý đặc trưng bằng một hay nhiêu
đại lượng vật lý. Một trong những vấn đề cơ bản của vật lý học là vắn để đo lường
các đại lượng vật lý. Đo một đại lượng tức là chọn một đại lượng cùng loại làm
mẫu (gọi là đơn vị) rồi so sánh đại lượng phải đo với mẫu (đơn vị) đó. Trị sỏ đo của
đại lượng đó phải bàng tý sô:
đại lượng phải đo
đại lượng đơn vị
Muôn định nghía đớn vị của một đại lượng, người ta phải chọn trước một sô"
dơn vị làm mẫu gọi là đơn vị cơ bản. Các đơn vị khác được suy ra từ các đơn vị cơ
bản dược gọi là đơn vị dẫn xuất. Tuỳ theo các đơn vị cd bân chọn trước sẽ suy ra
được những đơn vị dẫn xuất khác nhau. Tập hợp các đơnvị đã chọn và cácđơn vị
dẫn xuất tương ứng gọi làhệ đơn vị. Các hệ đơn vị thường đượcchọn sao cho thoả
mãn một sô" yêu cầu: các đơn vị phải tiện lợi khi tính toán; các công thức vật lý có
những hệ số đơn giản và hợp lý; sô" liệu khoa học được thông nhất giữa các nước để
tiện trao đôi...
Trong quá khứ, người ta đã dùng:

Hệ CGS: đơn vi cơ bản là xăngtimét (cm), gam (g) và giây (s).
Hệ MKS: đơn vị cơ bản là mét (m), kilogam (kg) và giây (s).
Năm 1960, nhiều nước trên thê giói đã họp và chọn một đơn vị thống nhất
gọi là hộ SI (Systeme international - hệ quôc tê). Năm 1965, chính phủ Việt Nam
đả ban hành “Bảng đơn vị đo lường hợp pháp của nưóc Việt Nam” dựa trên cơ sở
hệ SI. Trong hệ SI, 7 don vị cơ bán là:

12

Đơn vị chiểu dài

: mét (m)

Đơn vị khôi lượng

: kilogam (kg)


Đơn vị đo thòi gian

giây (s)

Đơn vị cường độ dòng điện

Ampe (A)

Đơn vị cường độ sáng

Candela (cd)

Đơn vị nhiệt độ

độ Kelvin (°K)

Đơn vị lương chất

mol (mol)

Từ các đơn vị cơ bản đó, người ta có thể định nghĩa các đơn vị dẫn xuất. Thí
dụ đơn vị SI cho công suất, gọi là oat (viết tắt là W) đuỢc định nghĩa theo các đơn
vị cơ bản của khôi lượng, độ dài và thòi gian.
1 oat = 1W = 1 kg.m2/s3
Để diễn tả các sô" đo lớn hoặc nhỏ, người ta có thể bổ sung vào các đơn vị đo
các tiền tô của hệ đếm thập phân (Bảng 1.1)
B ả n g 1.1 : Các tiền tô'của hệ đếm thập phân
Ký hiệu

Thừa sô

Đ êxi

d

10-1

102

Xăngti

c

10’2

k

103

Mili

m

10-3

M

106

à

10-6

Nano

n

10-9

Pico

p

10-12

Ký hiệu

Thừa sô

Đê ca

da

101

Hecto

h

Kilo
Mêga
Giga

G

109

Tera

T

1012

T iếp đầu ngữ

Tiếp đầu ngữ

M icro

Do thói quen, người ta hay dùng các đơn vị sau:
1 Angstrơm (1Ả)

=

10'10 m=

1 phút

=

60 s

1 giờ

=

3600 s =

10'8 cm
60 phút

2.2. Thứ nguyên của một đại lượng vật lý

Do các đại lượng vật lý có mối quan hệ vói nhau cho nên từ những đơn vị cơ
bản người ta có thể định nghĩa các đơn vị dẫn xuất. Việc định nghĩa này dựa vào
một khái niệm gọi là thứ nguyên.
Thứ nguyên của một đại lượng là quy luật nói lên sự phụ thuộc của đơn vị đo
đại lượng đó vào các đơn vị cơ bản.
Để cụ thể hơn, ta xét một đại lượng nào đó, chẩng hạn thể tích của một vật.
Trị sô" thể tích của các vật khối hình chữ nhật, hình trụ thẳng và hình cầu lần
lượt được tính bằng công thức:
V = a. b. c
v = nR2h
4
v = - 7ĩR3
3

13


Nếu không để ý đến các hệ sô", ta thấy trong mọi trường hợp:
Thể tích = chiều dài X chiều dài X chiều dài
Ta nói thứ nguyên của thể tích là (chiều dài)3 và kí hiệu:
[thể tích]

=

[chiều dài]3

Thí dụ khác:
[chiều dài]
Vận tốc

=
[thời gian]

[chiều dài]
Gia tốc
[thời gian]2
Đế cho cách viết được đơn giản, ta ký hiệu như sau:
[chiều dài] = L
Khi đó:

[khôi lượng] = M

[thòi gian] = T

[thể tích]

= L3

[vận tốc]

= L/T = L.T 1

[gia tốc]

= L.T 2

Kết quả đó có thể viết:
Đơn vị thể tích

:

m3

Đơn vị vận tốc

:

ms 1

Đơn vị gia tốc

:

ms'2

Đơn vị khôi lượng riêng

:

kg.m-3

Nhò khái niệm thứ nguyên, ta có thể có một cách để kiểm nghiệm lại sự
đúng đắn của một công thức vật lý, vì hai vế của một công thức vật lý bao giò
cũng phải có thứ nguyên giông nhau. Thí dụ công thức tính chu kì của một con
lắc toán học:

Với 2 là chiều dài con lắc, g là gia tốc trọng trường, v ế đầu có thứ nguyên là
thời gian T, vế sau có thứ nguyên là:
L

LT

2 = [ r 2]2 = T

Như vậy, về phương diện thứ nguyên, công thức trên hợp lý.

14


2.3. Đại lượng vô hướng và đại lượng vectơ

Một số đại lượng vật lý ngoài các
đơn vị đo ra có thể đặc trưng bằng một
sô liệu một cách đơn trị, đó là đại lượng
vô hướng. Thí dụ: khoảng thời gian,
năng lượng, nhiệt độ, thể tích....
Các đại lượng khác, chẳng hạn tốc
độ, gia tốc, lực, cường độ điện trường,
cường độ từ trường... không những đặc
trưng bằng một trị số nào đó mà còn
cần chỉ rõ hưống của chúng trong
không gian, đó là các đại lượng vectơ.
Vectơ được minh hoạ bằng một mũi tên:
đường thẳng bay tối mũi tên chỉ hưống,
độ dài của mũi tên chỉ độ lớn (môđun)
của đại lượng. Trong hệ trục toạ độ
vuông góc Oxyz, vectơ OM cho trước
được xác định bằng các hình chiếu của
nó trên các trục toạ độ: Mx, My, Mz_.
Như vậy vectơ OM hoàn toàn được xác

định độ lớn cũng như hướng trong
không gian ba chiều: hướng và độ lớn
được đặc trưng bởi các đại lượng vô
hướng Mx, My, Mz đại số (hình 1.1)
Phép cộng véctơ được trình bày
trên hình 1.2, đó là quy tắc cộng theo
hình bình hành; ngược lại, véctơ o c có
thể phân tích ra hai thành phần là
véctơ OA và véctơ OB.

Hình 1.1.

Hình 1.2.

Để đơn giản người ta viết:
ỠÃ + õ ầ = õ c
► B

Phần modun được ký hiệu OA
Với vectơ OM ta dễ dàng tính được:
OM = JÃPX + m ị + M :
- Tích vô hướng của 2 vectơ cho kết
quả là một đại lượng vô hướng (hình 1.3).
O A .O B = OA OB . cos a

► A

Hình 1.4.

15

Tích vectơ của 2 vectơ OA, OB cho kết quả là một vectơ o c .
Õ c = Õ4.ÕB

■

+ o c = OA OB . sin a
+ Chiều của vectơ o c vuông góc vối mặt phẳng AOB, theo chiều tiến của
cái vặn nút chai quay từ OA đến OB (hình 1.4)
2.4. Độ lớn của khối lượng, chiểu dài, thời gian của một sô đối tượng
Bảng 1.2. Độ lớn của khối lượng một số đối tượng vật lý
Khối lượng (kg)

Đối tượng
Đ iện tử

0,9 . 10-30

Proton

1,67. 10'27

Phân tử ADN

10'15

1 lít nước

1

Con người trưởng thành

102

ô tô

103

Tàu thủy

107

Trái đất

6. 1024

Mặt trời

2 . 1030

Bảng 1.3. Độ lớn của chiều dài một số đối tượng vật lý
Đôì tượng

Chiếu dài (m)

Giới hạn vũ trụ (khoảng đường ánh sáng ới được từ Big Bang
tới nay - khoảng 15 tỷ năm )

~ 1026

M ột năm ánh sáng

~ 1 0 15

Khoảng cách Trái đất - Mặt trời

~ 1 0 12

K hoảng cách Trái đất - Mặt trăng

~109

C hiều cao con người

-1 .8

Một số virut

~10-6

Phân tử lớn

~ 1 0 -9 - 1 0 '8

Kích thước nguyên tử
Kích thước hạt nhân nguyên tử
Cận trên bán kính điện tử

~ 1 0 -10

10 15
1 0 -18
I

16


Bảng 1.4. Khoảng thời gian một số quá trình vật lý
Quá trình

K hoảng thời gian (s)

Thời gian ánh sáng đi qua m ột nucleon

1 0 24

C hu kỳ dao động hạt nhân
C hu kỳ dao động nguyên tử

10-21
10-14

C hu kỳ dao động sóng vô tuyến truyền hình

10'8

C hu kỳ dao động sóng âm

10'3

Nhịp tim

1

1 năm

108

Đời người

1010

X uất hiện người trên trái đất

1014

Tuổi của vũ trụ

1018

Bảng 1.5. Các hằng số vật lý thông dụng
Tên hằng số
Tốc độ ánh sáng trong chân không
Số A vogadro

Ký hiệu
c
na

S ố đo

3 .108 ms 1
6 ,0 2 3 .10?3phân tử.mol'1

Hằng số Boltzm ann

k

1 ,3 8 1 .1 0 23 J.K '

Hằng số hấp dẫn vũ trụ

G

6 ,6 7 2 .1 0 " m3k g 1s 2

G ia tốc trọng trường

g

9,81 ms'2

Hằng số C oulom b

K

9.109 N.m2C ’2
9 ,1 0 9 .1 0 31 kg

Đ iện tích nguyên tố

n\
e

Khối lượng proton

mp

1 ,6 7 3 .10'27 kg

Khối lượng notron

mn

1 675.10 27 kg

Hằng số R ydberg

Rb

1,097.1 0' m'1

Bán kính Bohr

a0
h

5,29.10 " m

Khối lượng eiectron

Hằng số P lanck

1 ,6 0 2 .10-19c

6 ,6 3 .1 0 ‘34J.S

3. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC HIỆN TƯỢNG LÝ SINH

Các hiện tượng lý sinh tuân theo quy luật vật lý, hóa học, sinh học... như
mọi hiện tượng sông và không sông khác. Tuy nhiên ngưòi ta thường hay nhắc
đến một sô" đặc điểm có vai trò to lớn như sau:
3.1. Tính thống kê
3.1.1. Đặc trung thông kê

Đối tượng khảo sát của lý sinh gồm nhiều phần tử, thông thường là hệ vĩ
mô. Các hiện tượng lý sinh xảy ra cũng không phải là duy nhất chỉ xảy ra một
lần. Hiện tượng lý sinh xảy ra có thể lặp đi lặp lại nhiều lần, khá là giông nhau
nhưng không phải y hệt như nhau. Thí dụ ta đo chiều cao các nam sinh viên trong
một lớp học, dĩ nhiên kết quả không y hệt nhau, mà nhận các giá trị h 1; h2,......hn.
Kết quả ta có chiểu cao trung bình của nam sinh viên lớp học đó là:
17


Jt = Ịh + h2 + .....+ h,
n

1 JL
*■
n» ?,=1

Như vậy, có tính thông kê trong các hiện tuỢng lý sinh là do:
-

Đôi tượng khảo sát là hệ gồm nhiều phần tử tạo thành, hiện tượng khảo
sát không phải chỉ xảy ra một lần duy nhất.

-

Thời gian trôi qua, tự thân đổỉ tượng không phải giữ nguyên tính chất
như cũ mà có những thay đôi.

-

Các phép đo đạc gặp các sai số do thăng giáng ngẫu nhiên, các sai sô" hệ
thông.

-

Tác động của môi trường lên đối tượng khảo sát mỗi lúc có khác nhau,
thực hiện những dao động lớn nhỏ nào đó.

3.1.2. M ột sô dặc trung thông kê đơn giản

a. Tần suất và xác suất
Giả sử ta thực hiện N thực nghiệm như nhau (phép thử), ta thu được đỗivới
sự kiện A một sô" lần xảy ra là NAtrong sô" N. Dĩ nhiên 0 < N ị < N
Tần suất của sự kiện A là:
ff A =
- N^ -'

với

0 < f A<1

Thí dụ: ta tung con súc sắc 6 mặt tất cả 36 lần, với sự kiện xuất hiện mặt 1
chấm đỏ là 5 lần, thì tần suất của sự kiện này là:
f = --1 36
Khi thực hiện sô' lần tung con súc sắc càng nhiều thì tần suất xuất hiện mặt
] chấm đỏ sẽ dần dần tiến tối 1/6 (trong điều kiện con súc sắc hoàn toàn cân đối).
Người ta định nghĩa xác suất của nó khi số lần thực nghiệm N tăng đến vô
cùng:
(N \
P(À)= lim —à- - lim /
iV~»=ol J\ỉ
Dĩ nhiên

0 < P(a )< 1

Như vậy xác suất của một sự kiện (biến cố) cho ta biết khả năng xảy ra sự
kiện đó trong một phép thử nào đó. Một hiện tượng xảy ra với xác suất lớn nghĩa
là nó dễ xảy ra. Một hiện tượng khác xảy ra vối xác suâ^t nhỏ nghĩa là nó khó xảy
ra. Xác suất càng nhỏ bao nhiêu thì càng khó xảy ra bấy nhiêu nhưng không có
nghla là nó không thể xảy ra.

18


b. Giá trị trang bỉnh
Giả sử ta đo đại lượng vật lý A tất cả N lần, trong đó ta thu được các giá
trị Aj là Ni lần, A2 là N2 lần, ... An là Nn lần. Giá trị trung bình của đại

lượng A thực nghiệm là:
A ì - / a, + - - + Anf.ị„
Khi yv -> 00 ta có:

A = t A'-p M
/=1

A là giá trị trung bình hay kỳ vọng toán học của đại lượng A.
AA, = A, - A

Sai sô" của một lần đo A, là:

AA = At - A = 0

Giá trị trung bình của sai sô" là:
Sai số toàn phương trung bình là:

= ị i (Al - A f . r ụ , )
/=l
Khi N —>00 thì s —> ơ~ và gọi cr là phương sai.
c. Phân phối của các đại lượng
Các số đo của một đại lượng vật lý, lý sinh thông thường được phân phôi
theo một quy tắc nào đấy:
+ Phân phôi nhị thức.
+ Phân phôi Gauss (Thí dụ hình 1.5).
+ Phân phối Poisson...
Các thông sô" của phân phôi cho ta các đặc
trưng định lượng, xác suất của một đại lượng
vật lý (xin xem giáo trình Thông kê xác suất của
bộ môn Toán-Tin trường Đại học Y Hà Nội)

3.2. Tính quy luật hàm mũ

Hàm mũ là hàm có dạng y = ax với a > 0
với a > 1

Trường hợp hàm mũ tăng : y = ax

Hình 1.5.

Thí dụ xét một quần thể tế bào nào đó đang phân bào tự do mà X là tần suất
phân bào (hay xác suất phân bào) sau một đơn vị thòi gian, dP là xác suất phân
bào sau thời gian dt:
* = d
4

dt
19


Tổng số tê bào của quần thể có khả năng phân bào ở thòi điểm t là N(t); như
vậy số tế bào thực hiện phân bào sau thòi gian dt là dN(t), cũng chính là số các tế
bào tăng thêm:
dN (t) = N (t).dP - À.N(t).dt

Lấy tích phân hai vê ta có:

J—

= ịẰíỉt

InN(t) = Ả.t + c
N(t) = e

.e c

Tại t = 0 có N(o) t ế bào nên N(o) = e°.ec = ec
N(t) = N(o).e

Vậy;

Ảt

- Trường hợp hàm mũ giảm : y = ax với a < 1
Thí dụ: Xét một quần thể tế bào N(t) bị chiếu xạ mà xác suất để một tê bào
bị chết trong một đơn vị thời gian chiếu là X; ìý luận tương tự phần trên ta có:
-

Ăí

N(t) = N(o).e
Ta cần chú ý rằng với quy luật hàm mũ thì:

hoặc :

dt

tức là tốc độ xảy ra hiện tượng luôn tỷ lệ với độ lớn (kích thước) của đối tượng.
Khi ta không xét tới các quá tr ìn h bị không chế bởi một yếu tô" nào đó của
chính quá trình, các hiện tượng xảy ra theo quy lu ậ t hàm mũ r ấ t phô biến trong
tự nhiên, chẳng h ạ n sự tăng trưởng kiến thức (các p h á t minh khoa học) của

nhân loại, sự tă n g trưởng bạch cầu trong bệnh m áu trắng, sự chết của các t ế bào
sau khi bị chiếu xạ, sự phóng điện của tụ điện... Các hiện tượng gần vói quy luật
hàm mũ mà dẫn tới tr ạ n g thái dừng cũng khá phổ biến: sự nạp điện vào tụ, sự
nạp vào và tháo chất lỏng ra khỏi một bình chứa, sự kích thích điện tế bào, sự
th ấm của dung dịch vào cơ thể, sự rơi tự do của một vật trong môi trường có gây
lực cản...
3.3. Tính quy luật liên hệ ngược

Các quá trình trong tự nhiên nếu cứ tự do diễn biến theo một quy luật hoặc
một đặc điểm nào đây thì r ấ t khó tiến tới một tr ạ n g thái ổn định. Quy luật liên hệ
20


ngược của các quá trình tiến triển trong các hiện tượng tự nhiên có tác dụng làm
cho các quá trình có thê tiến tới một trạn g thái cân bằng (hay dừng) nào đấy làm
cho trạng thái của hệ có thê ổn định. Ta có thế biếu diễn quá trình liên hệ ngược
như sơ đồ dưới đây:

Ta hiếu đơn giản như sau: hệ ở trạng thái A, một sô" phần tử tiến triển sang
trạng thái B rồi trạng thái c... Nhưng kết quả các trạn g thái sau (B,c, ...) lại có
tác dụng ngược lại vào trạng thái A làm cho các phần tử ở trạn g thái A khó biến
dổi sang trạng thái B,c (thí dụ như giảm tốc độ biến đổi).
Thí dụ:
-

Xét quả cầu kim loại A tích điện âm r ấ t nhiều. Nối A với quả cầu B cũng
là kim loại bằng một dây dẫn kim loại. Các điện tích âm (chảng hạn ở đây
là điện tửj)từ A chuyển sang B làm cho hiệu điện t h ế giữa A và B ngày
càng thấp di diều đó gây ra hiệu quả là các điện tử chuyên sang B ngày
càng ít đi. Hệ thông sẽ tiến tối trạn g thái điện t h ế 2 quả cầu như nhau.

Xét sự khuếch tán của ion dương và âm qua một màng. Lúc đầu các ion dễ
dàng khuếch tán sang lẫn n h au giữa 2 phía của màng với giả định ban
đầu một bên r ấ t nhiều ion dương, một bên r ấ t nhiều ion âm. Trạng thái
khuếch tán sẽ dẫn tới vê sau càng khó khuếch tán qua màng.
Có một sô" bệnh nhiễm trùng mà hộ quả nhiễm trùng làm cho nhiệt độ cơ
thể của bệnh n h ân cao lên (>37°C). Nhưng bản th â n nhiệt độ cơ thể lúc ấy
(>37°) lại không tạo điều kiện th u ậ n lợi cho sự p h át triển của vi khuẩn
trong cơ thể, nhiệt độ cơ thê khi đó khó tăng thêm lên.

3.4. Sự chi phí năng lượng tối thiểu

Muôn cho hoạt động sông xảy ra, cơ thể phải chi phí năng lượng. Năng lượng
này được tích tụ lại trong cơ thê nhờ thức ăn, đồ uống, ánh sáng, nhiệt độ môi
trường... dưới dạng mỡ, đường, ATP...
Hoạt động sông của cơ thể chi phí năng lượng tu â n theo quy tắc chi phí tối
thiểu tương ứng với hoàn cảnh, điều kiện vật lý, hóa học của môi trường.
Chẳng hạn khi chúng ta ngủ mà thời tiết đột nhiên chuyển từ nóng sang
lạnh, ta không cần suy nghĩ, tự nhiên cơ thể sẽ phản ứng và cơ thể chúng ta sẽ tự
động thu lại sao cho sự tiếp xúc của cơ thê với môi trường ít đi, tỏa nhiệt ít đi, cơ
thô nhanh chóng điều hòa nhiệt độ.
Trong hoạt động chân tay, các bộ phận của cơ thể sẽ được điều khiển để
tương ứng tạo nên sự nhịp nhàng đồng bộ sao cho năng lượng chi phí ít n hất vối
một hoàn cảnh lao động xác định.
21


Những động vật ngủ đông (gấu, ếch nhái...) hằng năm thực hiện ngủ dông
nhằm mục đích hạ thấp chi phí năng lượng cho sự tồn tại của chúng: nhiệt độ cơ thê
hạ thấp, nhịp đập của tim chậm lại, tuần hoàn và hô hấp giám đi, sự tỏa nhiệt ra môi
trường ít đi.

Hoạt động sông của con người nhiều mặt gây nên sự ô nhiễm môi trưòng. o
nhiễm môi trường làm cho sự chi phí năng lượng của cơ thể cho hoạt động sông
tàng lên, cơ thê sẽ khó khàn hơn trong việc thích ứng VỚI môi trường. Chính vì thế
mà chúng ta phải chông lại những những hoạt động làm ô nhiễm môi trường,
chọn phương pháp kỹ thuật và vật liệu sản xuất bảo đảm càng ít gây hại cho môi
trường càng tôt.
3.5. Ngưỡng

Bất cứ một tác động nào của môi trường (trường nói chung) cũng tạo nên
phản ứng của đôi tượng bị tác động. Vấn đề chúng ta cần quan tâm ỉà độ làn của
đại lượng vật lý đặc trưng cho tác động lớn đến mức độ nào thì gây cho đổì tượng
phản ứng. Chang hạn khi tác động một lực cơ học lên cơ thê ta cần phải biết đôi
tượng có cảm giác gì: đau hay không đau, tổn thương như th ế nào, mang lại thông
tin gì (dồng tình hay phản đốì)... Muôn có phản ứng cho dôi tượng tạo một thông
tin đáng kê thì độ lớn của đại lượng vật lý đặc trưng cho tác động phải có một tác
dụng đáng kế nào đấy, vượt qua một giới hạn xác định.
Định nghía: Ngưỡng của một tác động là đại lượng vật lý đặc trưng cho
tác động có một giá trị tối thiểu đê nếu độ lớn của đại lương vật lý đặc
trưng chính cho tác động lớn hơn hoặc bằng đại lượng ấy mới tạo nên một
tin đáp ứng của đỏi tượng bị tác động.
Thí dụ 1: Võ si quyền anh đấm không dủ mạnh thì không tạo cám giác đau
cho đối thủ; ánh sáng yếu không cho phép ta nhìn rõ vật; điện thế quá thấp không
gây cho ngưòi bị điện truyền qua cảm giác gì; âm thanh có cường độ nhỏ không
gây cảm giác âm;...
-

Nếu như độ lớn của đại lượng vật lý đặc trưng cho tác động lại quá lớn,
vượt quá một giá trị nào đây thì có thể tác động lại không gây nên đáp ứng
nữa; trạng thái của đổi tượng bị tác động chuyên sang trạng thái khác.

Thí dụ 2: ánh sáng quá mạnh làm ta chói mắt không nhìn rõ dối tượng, âm
thanh mạnh quá gây đau tai...
-

Như vậy ngưởng có ít nhất hai giới hạn: đủ lớn để gây đáp ứng và đủ nhỏ
đê không phá trạng thái nhận thức, phản ứng.

Thí dụ 3: Trong quan hệ giữa cưòng độ âm thanh và cảm giác âm có tồn tại
ngưỡng nghe và ngưỡng đau (chói tai). Trong quan hệ giữa cưòng độ ánh sáng và
cảm giác sáng có tồn tại ngưỡng nhìn và ngưõng chói mắt.
-

Khi tác động có biến thiên, bản thân đổi tượng bị tác động cũng có những
biến đôi đê cho tác động không gây những cảm giác, đáp ứng quá mạnh có
thế dẫn đến quá ngưỡng trên, đê dễ thích ứng hoàn cảnh.


Thí dụ 4: Khi cường độ ánh sáng mạnh thì đồng tử thu nhỏ lại đê ánh sáng
vào đáy mảt ít di; Khi cưílng dộ âm thanh thay dôi luỢng \ ỉ . ta chi nhộn tháy thay
A/
(lôi (lộ lo khi ——> 0.25
/
3.6. Tính quy luật đối xứng

Vật vô sinh củng như vật hữu sinh, hình thê có thê có tính đôì xứng. Với vật
hữu sinh, sự đối xứng hình thành trong quá trình tiến hóa của sinh vật, làm cho
sinh vật tồn tại và phát triển dễ dàng hơn.
Thí dụ dôi với động vật, từ con sên đến con voi, con hồ và đến cả con người
đểu mang những yêu tô cấu trúc có tính đôi xứng gương: tay trái và tay phải; tai
trái và tai phải; hai con mắt... Một đặc điếm của dôi xứng gương là hai bộ phận

dôi xứng có the tích bang nhau nhưng không thê lồng hai bộ phận đó khít vào
nhau. Tính đôi xứng gương trong cấu trúc vật chất sông có từ mức độ sơ cấp là các
phân tử cho tới các bộ phận, cơ quan của sinh vật.
Tính đôi xứng còn thê hiện ở rất nhiều mặt: đôi xứng trục, đôi xứng điếm
(dôi xứng cầu). Thí dụ ta có thê quay một bông hoa quanh một trục xuyên qua
tâm hoa một góc nào đó thì bông hoa lại trùng vỏi chính nó... Trên đôi tượng là
con người ta có thê tìm thấy nhiều mặt, nhiêu trục và điếm đôi xứng.

23


Bài 2

sự BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ở cơ THỂ SỐNG
■

m

MỤC TIÊU HỌC TẬP

1. Nêu được các dạng năng lượng ở cơ thể sông và phát biểu đúng định
nghĩa về: nhiệt lượng, nội nàng, entropi, năng lượng tự do và các nguyên
lý nhiệt động lực học.
2. Giải thích được sự biến đổi năng lượng ở cơ thể, nhu cầu năng lượng của cơ
thể.
3. Trình bày được tầm quan trọng của trạng thái dừng và sự cần thiết phải
bảo vệ môi trường.
Các hệ thông sông trong quá trình tồn tại cũng như duy trì mọi hoạt động
nhất định phải thực hiện trao đổi vật chất và năng lượng vối môi trường xung
quanh. Như vậy trong cơ thể luôn tồn tại hai quá trình quan trọng không thê tách

ròi nhau mà bổ xung, tạo điểu kiện cho nhau, đồng thời ta cũng thấy được mối
quan hệ đặc biệt của chúng với môi trưòng. Việc khảo sát các quá trình trao đôi
vật chất và năng lượng của cơ thế sông làm sáng tỏ ý nghĩa vật lý của sự sông,
làm rõ diều kiện tồn tại, duy trì và phát triển của sự sông, từ đó cho ta thấy rõ
tầm quan trọng của môi trường sông.
Đôi với Lý sinh và đặc biệt là Lý sinh y học thì vấn đề quan tâm là các dạng
năng lượng và sự biến đổi của chúng trên cơ thể sông.
1. CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG CÓ THE TỔN TẠI TRONG c ơ THỂ SỐNG

Khái niệm năng lượng là khái niệm quan trọng nhất của vật lý học. Năng
lương là khả năng làm thay dôi trạng thái hoặc thực hiện công lẽn một hộ vật
chất . Mỗi hình thức vận động của vật chất tương ứng vối một dạng năng lượng. Cơ
thê được cấu tạo từ các nguyên tử, phân tử vật chất luôn vận động và biến đổi: vì
vậy, trên cơ thể cũng có đầy đủ các dạng của năng lượng.
1.1. Cơ năng

Cơ năng là năng lương của chuyển động cơ học và tương tác cơ học giữa các
vật hoặc các phần của vật. Khi một vật có khả nàng sinh rô nạ' thì vật đỏ có cơ nàng. Cơ
năng của hệ vật bằng tổng của động năng và thế năng của hệ ây.
— Động năng là số đo phần cơ năng do vận tốc của nó quyết định.
Trong cơ thể động năng được gặp ở những nơi dang có sự chuyển dộng chuyên động của cả cơ thê, của máu trong hệ tuần hoàn, của khí trong hô hấp, của
thức ăn trong ống tiêu hóa, của vật chất qua màng tế bào...

24


Thô năng là phần cơ năng của hệ quy định bởi tương tác giữa các phần của
hệ với nhau và với trường lực ngoài. Thế năng bằng công mà các lực thê thực hiện
được khi chuyên hệ từ vị trí (cấu hình) đang xét tới vị trí (cấu hình) có thế năng
quy ước bằng 0.

Đốĩ với cơ thế, xét về toàn bộ, do tồn tại trong trường hấp dẫn của trái đất nó
có một th ế năng. Giữa từng cơ quan, bộ phận trong cơ thể cũng tồn tại thế năng
do chúng di chuyển vị trí tương đối đối với nhau, hoặc thay đổi cấu hình trong quá
trình thực hiện các chức năng của cơ thể sông.
1.2. Điện năng

Điện năng là năng lượng liên quan tối sự tồn tại của điện trường và sự
chuyên động của các phần tử mang điện.
Trong cơ thể, điện năng có trong sự vận chuyển thành dòng của các ion qua
màng tê bào, trong sự phát các loại sóng diện từ vào không gian xung quanh. Điện
năng làm cho hưng phấn được dẫn truyền đến tế bào, đảm bảo cho sự hoạt động
của tê bào. Không có nó cơ thể không thể tồn tại được.
1.3. Hoá năng

Hóa năng là năng lượng giữ cho các nguyên tử, các nhóm hóa chức có vị trí
không gian nhâ't định dối với nhau trong một phân tử. Năng lượng sẽ được giải
phóng khi phân tử bị phá võ. Độ lớn của năng lượng được giải phóng tùy thuộc
từng liên kết.
Hóa năng có ở khắp cơ thể. Hóa năng của cơ thể tồn tại dưới nhiều hình
thức: hóa năng của các chất tạo hình, hóa năng của các chất dự trữ (như glycogen,
lipid, protid), hóa năng của các chất đảm bảo các hoạt động chức năng, hóa năng
của các hợp chất giàu năng lượng...
1.4. Quang năng

Quang năng là dạng năng lượng liên quan đến ánh sáng.
Cơ thể tiêp n h ận năng lượng từ các lượng tử sáng, sử dụng nó trong các
phản ứng quang hóa nhằm tạo năng lượng cho cơ thể, tiếp nhận và xử lý thông
tin, thực hiện quá trình sinh tổng hợp...
1.5. Nhiệt năng

Nhiệt năng là dạng năng lượng gắn với chuyển động nhiệt hỗn loạn của các
phần tử cấu tạo nên vật chất. Vì vậy nhiệt năng còn có tên gọi là năng lượng
chuyên động nhiệt.
Sự biên đổi từ các dạng năng lượng khác sang nhiệt năng và ngược lại đóng
một vai trò quan trọng trong tự nhiên.
Nhiệt năng tồn tại trong toàn bộ cơ thể, đảm bảo cho cơ thể có một nhiệt độ
bên trong cần thiêt cho các phản ứng chuyển hóa diễn ra bình thường. Để duy trì
hoạt động và giữ cho cơ thể ở trạng thái cân bằng, trong cơ thể luôn đồng thòi tồn

25