医学物理学实验教程(第2版)

绪论 科学实验是科学理论的源泉，是工程技术和应用的基础，作为未来的高级人才不仅应具备深广的理论知识，而且还应具有从事科学实验的能力，以适应科学技术飞速发展、社会不断进步的需要。 一、物理实验的重要性 物理学所研究的规律在自然界中具有*基本、*普遍的意义，从而决定了物理学是各门科学技术的基础。物理学是一门集哲学的概括性和抽象性、数学的严密性和逻辑性、实验的实践性和操作性于一身的科学。物理学是自然科学的核心，是新技术的源泉。 物理学从本质上说是一门实验科学，物理规律的研究都以严格的实验事实为基础，并且不断受到实验的检验。在物理学的发展中，实验是决定性的因素；离开了实验，物理理论就会苍白无力，就会成为“无源之水，无本之木”，不可能得到发展。今后在探索和开拓新的科技领域中，实验仍然是十分重要的。 16世纪伟大的实验物理学家伽利略，用他出色的实验工作把古代对物理现象的一些观察和研究引上了当代物理学的科学道路，使物理学发生了革命性的变化。 1672年，牛顿对理论和实验的关系阐述得很明白：“探求事物属性的准确方法是从实验中把它们推导出来 . 考察我的理论的方法就在于考虑我所提出的实验是否确实证明了这个理论；或者提出新的实验去验证这个理论。”事实上，牛顿提出过许多理论，其中，万有引力定律被海王星的发现和哈雷彗星的准确观测等实践所证明；而他关于光的本性的学说却被杨氏干涉实验和许多衍射实验所推翻。经典物理学的基本定律几乎全部是实验结果的总结与推广。 现代医学广泛运用了物理学原理、方法和技术，物理学已是现代医学不可缺少的基础。在生命科学的发展史中，离不开各类显微镜的贡献。DNA的双螺旋结构就是英国物理学家和美国遗传学家共同建立并为 X光衍射实验所证实的，而对 DNA的操纵、切割、重组也都需要实验物理学家的帮助；在医学中，从 X光透视、超声诊断、 CT诊断、MRI诊断，到各种理疗手段，包括放射性治疗、激光治疗、γ刀等等都是物理学的应用。而这些应用无不与实验密切相关。 大学生不仅要掌握已知，更要培养探索未知的能力。而探索未知，只靠读书是不够的，更要靠实践。物理实验课就是对学生进行科学实验能力基础训练的一门无法取代的实践性课程。通过物理实验主要学习各种基本实验方法、熟悉基本实验仪器，熟悉数据采集、处理、分析和表达的方法，同时培养观察能力、思维能力、分析能力和综合判断能力。 可以说，物理实验课是学生在大学里学习或从事科学实验的起步。同时，在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面，物理实验也起着潜移默化的作用。因此，物理实验对于各专业的大学生都是十分重要的。 然而，物理实验的重要性却往往被忽视。中国社会长期以来重理论轻实践的错误观念至今仍有影响。著名华裔实验物理学家丁肇中（诺贝尔物理学奖得主）说：“我是一个做实验的工程师。希望通过我的得奖，能提高中国人对实验的认识。没有实验就没有现代科学技术。”因此，必须摒弃旧观念，重视物理实验，学好物理实验，为将来的学习和工作打下坚实的基础。 二、医学物理实验的目的和任务 实验教学与理论教学具有同等重要的地位，它们既有深刻的内在联系，又有各自的任务和作用。当代大学生不仅要有比较深厚的理论知识，而且要具备较强的从事科学实验的能力。物理实验是对学生系统地进行科学实验能力训练的开端和基础，通过物理实验课，大学生不仅要接受科学实验各环节上的基本训练，还要加深对物理思想方法的领会、拓展知识，培养理论联系实际，加强操作动手能力，提高科学素质。 医学物理实验既是医学物理学的重要组成部分，也由于它本身特有的目的和任务而具有相对独立性。本课程具体的教学目的和任务是： 1. 学习和掌握物理实验的基本知识通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理知识，加深对物理学原理的认识和理解。使学生掌握基本的实验方法、实验技能、基本物理量的测量原理和方法，熟悉常用仪器的基本原理、结构、性能及使用方法，正确合理地使用仪器。 2. 培养与提高学生的科学实验能力注重培养并逐步提高学生对实验现象的观察和分析能力，以及理论联系实际的综合分析能力。这其中包括： （1）能够通过阅读实验教材或资料，作好实验前准备； （2）能够借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器； （3）能够运用物理学理论对实验现象进行初步分析判断； （4）能够正确记录和处理实验数据，绘制曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告。 3. 培养与提高学生的科学素养养成实事求是的科学态度、理论联系实际的科学作风、积极创新的科学精神、严肃认真的工作态度，主动研究的探索精神，遵守纪律、团结协作和爱护公共财物的优良品德。这是在整个教学过程中都要贯彻的要求，而在物理实验教学中是特别重要的。 “实践是检验真理的**标准”。在物理实验课中*能培养实事求是、严谨踏实的科学态度。任何弄虚作假，篡改甚至伪造数据的行为都是绝对不能允许的，也是比较容易发现的。实事求是的严谨态度与积极创新的科学作风是相联系的。在严谨的实验中才能发现真正的问题，而解决这些问题往往就需要坚韧不拔的毅力和积极创新的思维。实际上，只要认真去做实验，一定会发现许多问题，其中有些问题是教师也未必能解决的。所以，实验室应当而且可以成为培养学生求实态度和创新精神的*好场所。 物理实验课是一门实践性课程。学生在教师指导下通过自己主动、独立地完成实验课题的过程中，增长知识，提高能力，养成科学素养。要实现上述教学目的，在很大程度上取决于学生自己的主动精神和努力程度。 三、医学物理实验的教学要求 为达到上述教学目的，作好物理实验，应该达到以下三个基本要求： 1. 预习预习是上好实验课的基础和前提。没有预习，或许可以听好一堂理论课，但决不可能完成好一堂实验课。 实验前必须预习实验内容、做好实验准备工作。通过预习实验教材、参考资料，弄清实验目的、原理、仪器，了解实验要求及实验中应特别注意的问题等。在此基础上，写出简要的预习报告，内容包括：实验名称、目的、仪器、简要的原理及计算公式、记录测试数据的表格，以及简单的电路图、光路图等。 2. 实验操作与记录进入实验室，首先必须详细了解并严格遵守实验室的各项规章制度。这些规章制度是为保护人身安全和仪器设备安全而规定的，违反了就可能酿成事故，这是必须牢记的。 实验是整个教学中*重要的一环。动手能力、观察能力、分析问题和解决问题等能力的培养，主要在具体实验时完成。必须充分利用有限的课堂时间，提高学习效果。为此，必须注意： （1）认真听讲：每次实验前，教师将就本次实验的内容和要求、仪器的使用和注意事项、以及难点、重点及提示等做简要讲解，学生应认真听讲并做好记录。 （2）进行实验：首先应熟悉仪器，严格按照仪器设备操作规程进行实验。应根据实验方法及内容，合理布局仪器，安全操作，按步骤进行。在正式获取实验数据之前，要把仪器设备调试到*佳工作状态。要明确每一步操作的意义，切忌盲目操作。注意细心观察实验现象，认真钻研和探索实验中的问题。不要急躁，不要期望实验工作会一帆风顺，在遇到问题时，应看作是学习的良机，冷静地分析和处理它。仪器发生故障时，也要在教师指导下学习排除故障的方法。总之，要把着眼点放在实验能力的培养上，而不是测出几个数据就以为完成任务了。 （3）实验记录：认真观察，正确记录原始数据与实验现象。 在科学研究中，从准备课题、考察分析、实验实施、测试数据、计算推导等过程中会积累大量的原始笔记，这些**手材料通常称之为实验记录。实验记录是科学工作者提出成果、检验成果的重要依据，又是日后进一步研究的基础资料。因而，严谨的科学工作者对实验记录都十分重视和珍惜。实验记录看来很平凡，但要做好却并不简单。 “千里之行，始于足下”。同学们一开始就应养成严格、严密、严肃的科学作风，做好实验记录。一个好的实验记录应做到“四懂”，即：自己看得懂，别人看得懂，现在看得懂，将来也看得懂。那么具体如何记呢？一般说来，一个实验记录应包括：①写明实验名称，实验日期，同组人，实验的条件，如温度、湿度等。②仪器的规格、型号、参数等。 ③按照有效数字正确地记录实验数据，并注意物理量的单位。④及时记录实验中自己认为有意义的现象，并注意反复观察分析。 实验记录应用钢笔或圆珠笔记录，文字、符号、数码要写清楚，不要让别人或自己以后辨认时引起疑惑或误解。要严肃对待实验数据，如确系记错了，也不要涂改，应轻轻划上一道，在旁边写上正确值，使正误数据都能清晰可辨，以便在分析测量结果和误差时参考。*忌讳在原数据上涂改。在实验过程中观察到的现象、出现的故障及排除的情况都要及时记录下来。实验记录是从准备实验直到完成实验的全过程的工作记录，应该包括所有检验实验结果时所必须的记载，是整理实验报告的依据。要求同学们向老师交实验报告时附上实验记录，以供老师批阅评审。不要使用铅笔及涂改液，给自己留有涂改的余地；也不要先草记在另外的纸上再抄写在数据表格里，这样容易出错。 实验结束时，将实验数据交教师审阅签字，认为合格后方可整理仪器，结束实验，以避免数据不合格而重新连接仪器。整理还原仪器，经教师验收后，方可离开实验室。 3. 撰写实验报告 实验报告是实验工作的全面总结，是培养科学表达能力的主要环节。写实验报告是培养实验研究人才的重要一环。实验结束后，应及时写出实验报告。要求文字工整、语句简练、阐述清楚、图表规范，结果正确、分析认真。 一份完整的实验报告应包括以下几方面：①实验名称、实验者姓名、学号、实验日期。 ②实验目的。③实验仪器设备。④实验原理。简要叙述有关物理内容（包括电路图或光路图或实验装置示意图）及测量中依据的主要公式，式中各量的物理含义及单位，公式成立所应满足的实验条件等，切忌照抄书本。⑤实验步骤和内容。简明写出实验过程的关键步骤，观察了哪些物理现象，测量了哪些物理量。⑥数据记录与处理。设计表格记录实验数据，以完整的实验数据计算、作图等表示测量结果。⑦误差分析：包括两方面的内容，一是计算测量结果的不确定度，它是对测量结果的评价，与获得正确的测量结果具有同等重要性；二是要找出影响测量结果的主要因素，以改进实验。⑧小结或讨论：简明写出对实验现象的分析，对实验关键问题的研究体会，实验的收获和建议，解答思考题。 注意：撰写实验报告时，决不可任意伪造或篡改实验数据，这是基本的科学道德。教学实验与科学实验不同，教学实验结果往往是预知的，或有公认值的。实验结果与公认值不一致的情况是经常会发生的。这种不一致的原因，不一定是因为学生操作的失误、概念理解不当或计算错误，它也可能是由于仪器设备不正常或环境等其他原因造成的。决不可认为实验结果与公认值越接近，就表明实验做得越好，得分也会越高；更不可为追求实验结果与公认值的一致而伪造或篡改实验记录。从学生学习的角度讲，过程比结果更重要。教师对学生的培养与评价，侧重于实验的态度与作风，以及发现、分析、解决问题的能力。 实验报告应在实验后一周内交实验老师。 （李宾中） **章 测量误差与实验数据处理 物理实验的目的是探寻和验证物理规律。定性观察和定量测定是物理实验不可分割的两个方面。但更重要的是要揭示物理量间的内在数量关系，为此就需要对物理量进行测量。测量获得的大量数据，必须经过正确有效的处理，才能得出合理的结论，从而把感性认识上升到理性认识，形成或验证物理规律。因此，实验误差分析和实验数据处理是实验工作者**的知识和能力。本章对这方面的知识做一入门介绍。 **节 测量与误差 在实际测量中，总会有误差。随着科学技术的发展，可以将误差控制得愈来愈小，但仍然还会有误差。误差贯穿于整个实验过程，因此，在整个实验过程中都