了得網自然科學_醫學物理學實驗（第3版）

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內容簡介

《醫學物理學實驗（第3版）》是根據*修訂的“大學物理實驗課程教學基本要求”（討論稿）的教學內容要求，本著實驗教學與理論教學相輔相成的教學特點，結合醫學院校的實際情況，在第2版《醫學物理學實驗》的基礎之上重新編寫的。宗旨是培養基本技能，激發創新思維，注重綜合能力的訓練。《醫學物理學實驗（第3版）》分為6部分，總計37個實驗。緒論部分主要講述誤差理論；基本量測量部分主要介紹力、熱、光、電、近代物理的一些基本實驗；醫用物理實驗部分主要介紹物理與醫學結合的綜合性實驗；設計性實驗部分注重開發學生的創新能力；常用儀器介紹部分注重基本工具的普及使用；英文版實驗模塊嘗試創新開闢雙語教學和留學生實驗教學的新模式。

目錄
緒論 (1)
一、“醫學物理學實驗”的教學目的和任務 (1)
二、“醫學物理學實驗”的基本要求 (1)
**章誤差理論 (3)
一、測量的誤差及誤差的計算 (3)
二、有效數字及其運算法則 (6)
三、實驗數據的處理方法 (8)
第二章基本物理量的測量 (11)
實驗1 長度的測量 (ll)
實驗2 用駐波法測量頻率 (16)
實驗3 用共鳴管測量聲速 (18)
實驗4 電橋法測電阻 (19)
實驗5 霍爾效應及其應用 (23)
實驗6 拉伸法測量金屬絲的楊氏彈性模量 (27)
實驗7 光電效應與普朗克常數的測定 (30)
實驗8 等厚干涉的研究 (35)
實驗9 用分光計測量稜鏡的折射率 (38)
實驗10 光波波長的測量（光柵衍射法） (41)
實驗11 模擬法靜電場的描繪 (42)
實驗12 硅光電池特性的測定 (44)
第三章醫學物理實驗 (48)
實驗13 液體黏度的測量 (48)
實驗14 液體表面張力繫數的測量 (53)
實驗15 超聲波聲速的測量 (58)
實驗16 超聲波診斷儀的使用 (60)
竇驗17 心電圖的測量 (67)
實驗18 用旋光儀測量溶液的濃度 (71)
實驗19 溫度傳感器的特性及人體溫度測量實驗 (74)
實驗20 顯微鏡放大率和數值孑L徑的測量 (76)
實驗21 非正常眼的模擬與矯正 (79)
實驗22 人耳聽閾曲線的測量 (81)
實驗23 X-CT計算機模擬實驗 (84)
實驗24 MCT-D1激光模擬實驗儀的使用 (90)
實驗25 核磁共振 (95)
第四章設計性實驗 (102)
實驗26 人眼屈光度的測量 (102)
實驗27 壓力傳感器特性及人體心律與血壓的測量 (104)
實驗28 多用電表的設計組裝 (107)
實驗29 電子聽診器及人體心音信號的觀測 (108)
第五章常用儀器介紹 (110)
實驗30 萬用電表的使用 (110)
實驗31 示波器的使用 (115)
實驗32 分光計的調節 (123)
第六章英文實驗 (127)
Experiment 33 Measurement of Length (127)
Experiment 34 Liquid Viscosity Measurement (130)
Experiment 35 B-mode Ultrasonic Diagnosis Apparatus (132)
Experiment 36 Electrocardiography(ECG) (137)
Experiment 37 The Application of Polarimeter (141)
主要參考資料 (143)
附錄 (144)

在線試讀

緒論
從自然科學的發展史，可以清楚地看出，人們總是從實驗中總結出規律和理論，然後再通過新的實驗來檢驗這些規律和理論的正確性，借以進一步發展理論。物理學和實驗的關繫十分密切，物理學實驗是物理學研究的基本方法。物理學規律的發現和理論的建立，都必須以嚴格的物理學實驗為基礎。在高等醫學院校中，“醫學物理學實驗”是配合“醫學物理學”而開設的相對獨立的一門課程。通過“醫學物理學”的學習，學生能獲得在今後的醫療實踐和醫學科學研究中所需要的物理學知識；而“醫學物理學實驗”所傳授給學生的技能，增長了他們解決某些實際問題的能力，培養了他們嚴謹的科學作風。
現代醫學中，廣泛地應用著物理學的理論和實驗方法。因此，要掌握現代醫學科學知識和技術，就必須具備一定的物理學實驗理論、方法和技能。對於醫學院校所開設的“醫學物理學實驗”，除了物理學實驗所包含的一些基本內容之外，實際上是把物理實驗的側重點放在與醫學、生命科學聯繫較為密切的一些實驗上。它與理論課相輔相成，既有聯繫，又相對獨立。
一、“醫學物理學實驗”的教學目的和任務
（1）通過實驗使學生直接觀察物理現像，進一步地分析和研究物理現像，探討其產生原因及規律性，有助於提高掌生對理論學習的理解能力。
（2）通過實驗使學生學會正確地使用物理儀器，進而熟悉儀器的性能，掌握物理學實驗的方法，提高實驗技能。
（3）通過實驗培養學生養成嚴肅認真、細致謹慎、實事求是的科學態度，遵守紀律的優良品格。
要學好這門課程不但要花氣力、下工夫，而且還要掌握一定的學習方法。要做好每個實驗，實驗之前必須認真預習，實驗之中認真操作，實驗之後認真總結，並提供完整準確的實驗報告。有了這種“三認真”的精神，就一定能夠學好“醫學物理學實驗”。
一、“醫學物理學實驗”的基本要求
下面，我們就實驗的預習、操作、報告這三個主要環節進一步加以明確，並提出具體要求。
（1）預習：這是能否使實驗順利進行的關鍵。因此，實驗之前必須作好預習。要求做到：①詳細閱讀有關的實驗內容，明確實驗目的，弄懂實驗原理，掌握實驗方法；②對實驗儀器的性能和使用方法有初步認識，避免盲目操作，損壞儀器；③根據實驗要求，擬定實驗方案和步驟，設計好記錄實驗數據的表格。
（2）操作：通過實驗操作，對物理現像進行觀察和研究，增強對理論知識的理解，促進實驗技能的提高。要求：①遵守實驗室的規章制度和秩序；②操作前先認識和熟悉實驗所用儀器，並認真檢查，了觶儀器的性能和使用方法，做到正確使用；③按照實驗步驟進行操作，要有條不紊；④將測量數據認真地填寫在事先準備好的表格上，計算出必要的結果；⑤實驗完畢，整理儀器，清掃實驗室。
（3）報告：實驗報告是進行實驗的*終總結。要認真細致地對實驗數據做出整理和計算，對結果加以分析，在此基礎上寫出實驗報告。實驗報告要求有以下幾方面的內容：①實驗題目；②實驗目的；③實驗器材；④簡明的實驗原理；⑤簡要的實驗步驟；⑥填人表格的測量數據，計算實驗結果；⑦記錄實驗時的環境條件，如室溫、氣壓等；⑧結果的分析，有些還要繪出圖線，計算誤差，討論總結，回答相關問題。
（蓋立平）
**章誤差理論
一、測量的誤差及誤差的計算
（一）測量的誤差及產生誤差的原因
物理學實驗不僅要對物理現像的變化過程作定性的觀察，而且還要對某些物理量進行定量的測量。例如，長度、質量、時間、溫度、電流等。測量某一物理量，實際上就是用一個確定標準單位的物理量和待測的未知量進行比較，所得的倍數就是該未知量的測量值。
測量方法可分為直接測量和間接測量。直接測量是將待測量與標準量作比較而直接得出結果的測量。例如，用米尺測量長度，用秒表測量時間等，就是屬於這一類，都是用基本測量儀器就可直接測出結果的。間接測量是依靠直接測量的結果，再經過物理公式的計算，纔能得出*後的結果。例如，要測量圓柱體的體積，首先要測量其直徑和高度，然後再用公式計算圓柱體的體積纔能得出結果。大多數測量都是屬於這一類。
測量的目的就是力圖得到真值。所謂真值，就是反映物質自身各種各樣特性的物理量所具有的客觀真實數值。嚴格來講，由於儀器精度、測量方法、測量程序、實驗環境、實驗者的觀察力等，都不可能完美無缺，盡管對同一物理量經過多次測量，所得結果也隻能達到一定限度的準確程度，因此，不能認為測量所得到的結果就是它的真值。真值是不可能準確測得的。通帝將在相同條件下進行多次重復測量的算術平均值稱為測量的**值或近似值，當測量次數無限增加時，算術平均值將接近於真值。然而我們不能對同一物理量進行無限多次的測量，因此，常把有限次測量的算術平均值作為真值。
每個測量值與真值之間的差稱為誤差（error）。由於測量值與真值不可能完全相同，所以誤差總是存在的。根據誤差的性質及產生原因，可分為繫統誤差、偶然誤差和過失誤差。下面我們對此加以詳細說明：
1．繫統誤差繫統誤差也稱為恆定誤差，是指在測量中由未被發覺或未被確認的因素所引起的誤差。例如，儀器不準確、周圍環境（溫度、濕度、氣壓等）變化的影響、個人習慣與偏向（讀數總是偏高或偏低等）、理論和測量方法本身不嚴密所造成的誤差。由於這些因素影響，測得的數值總是朝一個方向偏離，或總是偏大，或總是偏小。其特征是偏離的確定性，增加測量次數也不能有所改善。但如果根據其產生原因分別加以校正，例如，對儀器修正、改進測量方法、對影響實驗的有關因素加以周密考慮等，則繫統誤差是能夠盡量減小或消除的。
2．偶然誤差偶然誤差亦稱隨機誤差，是由一些無法控制，純屬偶然的因素所引起的誤差。其特征是時而偏大，時而偏小，時正時負，方向不一走，其發生純屬偶然，不受概率支配。減小偶然誤差發生的方法，是進行多次重復測量。
3．過失誤差過失誤差是人為的誤差，實驗者的粗心大意、實驗方法的不當、使用儀器不準確、讀錯數據等，均可造成過失誤差。因此，實驗者必須要有嚴肅認真的態度，實事求是和一絲不苟的科學作風，過失誤差就可以避免。
（二）測量誤差和結果的表示
1．直接測量誤差和結果的表示在實驗中，常常由於某種原因而對一個物理量隻進行一次直接測量。這時，測量值的誤差可根據實際情況進行合理的具體估算。通常，可按儀器上標明的儀器誤差作為單次測量的誤差。如果沒有注明，也可取儀器*小刻度的一半作為單次測量的誤差。
為了減小偶然誤差，在可能的情況下，總是采用多次測量，並將其算術平均值作為被測量的物理量的真值。對某一物理量在相同條件下進行是次測量，各次結果分別為A1、A2、A3、、A。，則它們的算術平均值為
這個算術平均值可認為是被測量的物理量的真值。
測量值的誤差常用以下幾種方法表示：
（1）算術平均誤差：各次測量值A，與算術平均值A的差AA，，其值分別為，AAi一A1 -A，AAz=A2-A，，AAk =Ak -A，它反映了各次測量的誤差，也稱為測量值的**誤差（absolute error），**誤差有正負之分。我們把算術平均誤差定義為
因為它是以**誤差的**值表示測量值的誤差，故AA又稱為平均**誤差（absolute er-ror）．它表明被測量的物理量的平均值的誤差範圍，也就是說，被測量物理量的值的大部分在A+ AA和A- AA之間，因而測量結果應表示為A±AA。
（2）標準誤差：把各次測量值A，與算術平均值A的差，再取其平方的平均值，然後開方，這樣得到的結果稱為標準誤差（ standard error），即
標準誤差在正式的誤差分析和計算中，常作為偶然誤差大小的量度。被測物理量的結果可表示為。
（3）相對誤差：**誤差可用來估計測量值的誤差範圍，但不能反映測量的準確程度。究竟這個誤差是在多大的測量值範圍內產生的呢？為此，我們將平均**誤差AA與測量的算術平均值A的比值，稱為平均相對誤差（relative error），用來定量表示測量的精確度。
相對誤差還可以用百分數來表示，稱為百分誤差，寫作AA×100%。
此外，我們還會經常遇到一些被測量已經有公認值（或理論值）。這時，求百分誤差可用公認值（或理論）值代替A，而AA則是我們所得到的測量值與公認值（或理論值）之差的平均**值。
2．間接測量誤差和結果的表示在物理學實驗中，大多數測量是間接測量，是由多個直接洌量值通過一定的公式計算得出*後結果。因此，直接測量的誤差必然對間接測量的誤差有所影響，這一問題可應用誤差傳遞公式來進行處理。設A、B為直接測量值，可表示為A =A±AA，B=B±AB。N為間接測量值，N=N±AN。那麼，間接測量誤差結果的表示如下：
（1）和的誤差
若
則
於是得算術平均值為
考慮到可能產生的**誤差，於是得到和的平均**誤差為
相對誤差為
（2）差的誤差
若
則
於是得算術平均值為
考慮到可能產生的**誤差，於是得到差的平均**誤差為
相對誤差為
由此可見，和差運算中的平均**誤差，等於各直接測量值的平均**誤差之和。
（3）積的誤差
若N=A．B
則
於是得算術平均值為
N=A．B
略去，考慮到可能產生的**誤差，則平均**誤差為
相對誤差為
（4）商的誤差
若
則
略去AA．AB和AB2，考慮到可能產生的**誤差，則算術平均值為
平均**誤差為
相對誤差為
由此可見，乘除運算的相對誤差等於各直接測量值的相對誤差之和。
（5）方次與根的誤差
由乘除法的相對誤差公式，容易證明
若
上述各種運算，可推廣到任意一個直接測量值的情況。從以上結論可看到，當間接測量值的計算式中隻含加減運算時，先計算**誤差，後計算相對誤差比較方便；當計算式中含有乘、除、乘方或開方運算時，先計算相對誤差，後計算**誤差較為方便。
其他函數的誤差傳遞公式，我們不一一證明，在緒論之後列出一些常用公式，以備查閱，詳見緒論表1，常用誤差計算公式。
二、有效數字及其運算法則
（一）測量儀器的精密度
要對某一物理量，例如長度、時間、溫度、壓強、電流等進行測量，都必須使用各種儀器。但每種儀器由於其結構及生產技術條件等各方面因素的限制，都有一定的精密度。使用不同精密度的儀器，測量結果的精確度也就各不相同。
所謂儀器的精密度，一般定義為*小分格所代表的量為詼儀器的精密度。例如，米尺的*小分格是1mm，其精密度就是1mm。有的儀器有特殊標記，例如某一天平的感量是0.01g，其精密度也就是0.01g，此時就不能用*小分格來代表精密度。電子儀表的精密度是以級數標記的，例如某電表是2.5級，表示測量誤差為2.5%。級數越小，精密度就越高。
（二）有效數字的概念
儀器的精密度限制了測量的精確度。例如，我們用米尺測量某一物體的長度，測得值是在3.2cm和3.3cm之間，能否再精確一點呢？那就要估計讀數了。比如說，估計得3.26cm。顯然，*後一位數字“6”是不準確的，對不同的實驗者所估計出來的數不一定相同，因而是可疑數字。我們把測量結果的數字記錄到開始可疑的那一位為止，組成這個數值的數字，即可靠數字加上可疑數字，稱為測量結果的有效數字。
（三）有效數字的運算法則
1．加法與減法對各數進行加減運算時，所得結果的有效數字位數，應該取到各數中

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