Сборник задач по биофизике

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана






Л.П. Сафонова, В.Б. Парашин





СБОРНИК ЗАДАЧ ПО БИОФИЗИКЕ

Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия по курсу «Биофизика»
















Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2011

УДК 577.3(075.8)
ББК 28.071

    С21



Рецензенты: Н.И. Зайцева, В.П. Невзоров

    Сафонова Л.П.
С21 Сборник задач по биофизике : учеб. пособие по курсу «Биофизика» / Л.П. Сафонова, В.Б. Парашин. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 57, [3] с. : ил.


         Приведены тестовые задания и задачи по биофизике для самостоятельного решения. Рассмотрены примеры решения задач по основным изучаемым разделам курса биофизики.
         Для студентов 3-го курса факультета биомедицинской техники, изучающих дисциплину «Биофизика».


УДК 577.3(075.8)
ББК 28.071

















© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

   Предлагаемый в настоящем учебном пособии материал (тестовые задания, примеры решения задач и задачи для самостоятельного решения) относится к следующим разделам, изучаемым в рамках курса биофизики:
   •  термодинамика биологических процессов [1-5];
   •  молекулярная биофизика [1-4, 6, 7];
   •  строение и свойства биологических мембран [1-4, 6];
   •  свойства электролитов [3, 8];
   •     механизмы транспорта веществ через биологические мембраны [1, 2, 4, 9-12];
   •  механизмы электрогенеза в клетках [1, 2, 4, 9-13];
   •     биофизические принципы формирования сигнала ЭКГ [1, 2, 4, 10-12];
   •  биофизика мышечного сокращения [1, 2, 4, 7, 9, 10, 12, 14];
   •  автоволновые процессы в активных средах [10].
   Тестовые задания, приведенные в учебном пособии, соответствуют программе курса «Биофизика» по специальностям «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и «Инженерное дело в медико-биологической практике» (по направлению подготовки бакалавров «Биомедицинская инженерия» и по направлению подготовки дипломированного специалиста «Биомедицинская техника»).
   Тестовые задания, примеры и задачи для самостоятельного решения подготовлены с использованием книг, учебных пособий и учебников [1, 10, 12, 15, 16, 17].
   Цель данного учебного пособия - закрепление знаний, полученных при изучении материалов учебников и учебных пособий, указанных выше, а также материалов лекций и семинаров по биофизике. В начале каждого раздела пособия указано, какие знания

3

студент может проконтролировать с помощью приведенных тестовых заданий и задач для самостоятельного решения.
   При выполнении тестовых заданий необходимо выбрать правильный вариант или несколько правильных вариантов ответа, сделать необходимые дополнения либо дать развернутый ответ. Задачам для самостоятельного решения предшествуют примеры решения задач. Для большинства тестовых заданий и задач для самостоятельного решения в конце учебного пособия приведены ответы. Глава 9 включает только тестовые задания.
   При решении задач требуется правильное применение биофизических законов, полученных эмпирически или на основе общих физических законов и математического моделирования; умение мыслить точными количественными категориями, так как это необходимо для формирования навыков моделирования процессов в живых системах и механизмов взаимодействия внешних физических полей с биологическими объектами, что является обязательным и одним из наиболее важных этапов процесса разработки приборов, аппаратов, комплексов и систем в биомедицинской инженерии.
   Материал пособия может быть использован при проведении семинаров и контрольных мероприятий, в том числе в компьютеризированной форме, а также в системе дистанционного обучения.

ГЛАВА 1. ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

   В данной главе учебного пособия с помощью тестовых заданий контролируется знание следующих теоретических разделов биофизики и основных понятий: законы классической термодинамики для изолированных и закрытых систем; основы термодинамики открытых систем и биологических процессов; основные положения линейной неравновесной термодинамики для оценки направленности процессов, возможности их самопроизвольного протекания, стационарности и сопряженности процессов, соотношение взаимности Онзагера и теорема Пригожина; основные термодинамические потенциалы и связывающие их соотношения; понятия энтропии, диссипативной функции, равновесного и стационарного состояний [1, 5].

Тестовые задания

   1. Перечислите и охарактеризуйте общие свойства живых систем.
   2. Система находится в стационарном состоянии, при этом:
   а)    термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех частях системы, система является открытой или закрытой;
   б)    термодинамические параметры не изменяются во времени, но могут отличаться в различных частях системы, система изолирована;
   в)    система не изменяется во времени, в ней поддерживаются постоянные градиенты параметров, система является открытой или закрытой;
   г)    термодинамические параметры постоянны во времени, одинаковы во всех частях системы, система изолирована;
   д)    термодинамические параметры изменяются во времени, система является открытой.


5

    3.    Степень упорядоченности открытой системы увеличивается (d 5/d t < 0), если выполняется следующее:
    а) dₑS/dt < 0 и | dₑS/dt | > d S/dt;

    6) dₑS/dt > 0;

    в) deS/dt < 0 и | deS/dt | < diS/dt;

    r) d eS/d t = 0;

    д) deS/dt < 0 и | deS/dt | = diS/dt.

    4.    Сформулируйте второй закон термодинамики для открытых систем.
    5.    Перечислите и охарактеризуйте термодинамические потенциалы, используемые для описания термодинамических систем и процессов в них.
    6.    Осмотическая работа, совершаемая системой при изменении концентрации от c ₁ до c ₂, составляет:
    а) zF(c 2 - c i); 6) pV(c 2 - c 1); в) RT(c 2 - c 1);

    r) pV(c 2/c 1);   д) RTln (c 2/c 1).

    7.    Электрическая работа, совершаемая системой при переносе вещества из области с электрическим потенциалом ф₁ в область с потенциалом ф₂, составляет:
    а) zF(ф2 - ф1);   б) RTln (Ф2/Ф1);  в) pV(ф₂ - ф1);

    r) RTln (ф2 - ф1); д)pV(Ф2/Ф1).

    8.   Электрохимический потенциал i-го компонента системы равен:
    а) p i = Hi - TSi;                  r) p ₜ = Uₜ - pVᵢ₊ TSₜ;

    б) p i =- RTln Ki;                  д) p i =^ JᵢXᵢ.

    в) P i = Ц0 i + RTln ci + zF ф i;


6