[醉染正版]医学物理学实验 第二版第2版 张淑丽 科学出版社

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本书是作者在多年教学实践及教学改革成果和经验的基础上，参考国内外有关教材，结合医学院校物理课程的特点编写而成的。全书共6章，包括绪论、实验误差及数据处理、基本物理实验、综合性物理实验、创新性物理实验、模拟与仿真物理实验，共38个实验。在每个具体实验中，包含实验目的、实验器材、实验原理、实验内容、实验结果、注意事项、思考题等内容。

目录
**章 绪论 1
**节 医学物理学实验对医学类专业的重要性 1
第二节 医学物理学实验课要求 2
第三节 如何做好医学物理学实验 4
第四节 医学物理学实验中常用的实验方法 5
第二章 实验误差及数据处理 9
**节 物理量的测量及实验误差与数据处理 9
第二节 实验不确定度的评定 19
第三节 实验数据的制表记录法、作图法 21
第三章 基本物理实验 23
实验一 基本测量 23
实验二 液体黏滞系数的测量 27
实验三 液体表面张力系数的测量 30
实验四 弦本征振动的观测 34
实验五 人耳听觉听阈测量 36
实验六 气体压力传感器测量人体血压 41
实验七 学习使用电子示波器 43
实验八 万用表的使用 51
实验九 人体阻抗的频率特性的测定 58
实验十 分光计的调节 61
实验十一 用分光计测定棱镜的折射率 65
实验十二 光波波长的测定 68
实验十三 显微摄影 71
实验十四 集成模拟运算电路的使用 74
实验十五 组合逻辑电路的分析与设计 79
第四章 综合性物理实验 83
实验一 声速的测量 83
实验二 用示波器研究简谐振动的合成 92
实验三 热敏电阻温度计的设计与制作 97
实验四 全息照相 100
实验五 心电图实验 103
实验六 B型超声诊断仪的基本原理及其声像图观察 109
实验七 CT图像后处理技术的计算机模拟实验 113
实验八 CT医学图像的三维重建 115
实验九 核磁共振实验 116
实验十 计数器及其应用 121
实验十一 555定时电路及其应用 126
第五章 创新性物理实验 133
实验一 液体表面张力系数随杂质浓度变化的研究 133
实验二 人体电特性（电阻抗、电压、电流）研究 133
实验三 多用电表的设计与组装 135
实验四 用分光计测量人组织液的声阻抗 135
实验五 汞光谱的色散研究 136
实验六 用超声诊断仪测量物体的缺损 137
实验七 生物医学信号处理研究 138
第六章 模拟与仿真物理实验 140
实验一 刚体转动惯量的测量 140
实验二 动态法测杨氏模量 144
实验三 Multisim仿真实验的基本操作 150
实验四 整流电路仿真实验 153
实验五 RC串联电路暂态稳态仿真实验 158
基本物理实验报告 163
实验一 基本测量 163
实验二 液体黏滞系数的测定 165
实验三 液体表面张力系数的测量 167
实验四 弦本征振动的观测 169
实验五 人耳听觉听阈测量 171
实验六 气体压力传感器测量人体血压 173
实验七 学习使用电子示波器 175
实验八 万用表的使用 177
实验九 人体阻抗的频率特性的测定 179
实验十 分光计的调节 181
实验十一 用分光计测定棱镜的折射率 183
实验十二 光波波长的测定 185
实验十三 显微摄影 187
实验十四 集成模拟运算电路的使用 189
实验十五 组合逻辑电路的分析与设计 191
综合性物理实验报告 193
实验一声速的测量 193
实验二 用示波器研究简谐振动的合成 197
实验三 热敏电阻温度计的设计与制作 199
实验四 全息照相 201
实验五 心电图实验 203
实验六 B型超声波诊断仪的基本原理及其声像图观察 207
实验七 CT图像后处理技术的计算机模拟实验 209
实验八 CT医学图像的三维重建 211
实验九 核磁共振实验 213
实验十 计数器及其应用 215
实验十一 555定时电路及其应用 217

**章 绪论
　　**节 医学物理学实验对医学类专业的重要性
　　物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，它必须以客观事实为基础，依靠观察和实验。归根结底物理学是一门建立在实验基础上的科学，是认识自然的基础。物理实验是根据研究的目的，利用科学仪器设备人为地控制或模拟自然现象，排除次要矛盾的干扰、突出主要矛盾，在*有利的条件下研究自然规律的一种活动。
　　医学是研究生物机体的正常生命活动规律及患病肌体的某些特殊现象的科学，在自然界中属于较复杂、较高级的物质运动形式，它同样遵循物理学的相关规律。
　　物理学和医学两大学科相结合，它们相互渗透、相互促进、不断发展，形成了物理学的一个重要分支——医学物理学。它是将物理学的理论、方法和技术应用于医学而形成的一门新兴学科。包括物理学在内的各门学科，其研究方法都是遵循“实践—认识—实践”的认知法则，具体地说物理学的研究方法包括观察、实践、假说和理论各个环节。自然科学的很多规律是通过实验发现的，其理论是通过实验反复验证而总结出来的。实验可以发现新事实，结果可以为物理规律的建立提供依据，同时，实验又是检验理论正确与否的重要判据。例如，伽利略（Galileo，1564～1642）观察到教堂中吊灯的摆动具有等时性，依此在实验基础上推导出单摆的振动周期与摆长的平方根成正比，并用于测量人的心率；他发明了测温计，还设计出了**个现代意义上的显微镜；他通过斜面将落体速度放慢从而进行落体实验，开辟了定量的实验方法。
　　历史上，在对光的本性认识上，波动说与微粒说之争在18世纪就已经开始了。1800年，医生、物理学家托马斯·杨（T.Young，1773～1829）的双缝干涉实验，证实了光具有波动性；1887年，德国科学家赫兹（H.R.Hertz，1857～1894）发现光电效应，光的粒子性再一次被证明。1905年爱因斯坦（A.Einstein，1879～1955）的光量子假说总结了光的微粒说和波动说之间的争论，能很好地解释光电效应的实验结果。但是直到1916年，密立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。
　　1895年11月，德国实验物理学家伦琴（W.ROntgen，1845～1923）在实验室中发现了X射线，并用它拍下了他夫人手骨的照片，这是世界上**张活体骨骼照片。伦琴将他的新发现写成论文发表后，在整个科学界包括医学界引起了巨大的轰动。几周后，芝加哥电气技师格鲁勃（E.Grubbe）利用X射线为一名55岁患乳腺癌的妇女进行了放射治疗；3个月后，维也纳一所医院将X射线拍片应用于外科诊断。X射线的发现还进一步推动了气体中电传导的研究，也给洛伦兹创立电子论提供了实验基础。而电子理论又给塞曼（Zeeman）效应，即光谱线在磁场中会分裂这一事实以理论解释。
　　1890年，皮埃尔·居里夫妇发现了放射性元素——镭。1931年伊伦·约里奥·居里（I.Joliot-Curie，1897～1956）和她的丈夫弗雷德里克·约里奥·居里（F.Joliot-Curie，1900～1958）发现镭对于动物组织的破坏力以及用于治疗肿瘤的有效性之后，于1934年又发现人工放射性物质。随着科学技术的进步，放射性同位素在医学研究、诊断和治疗中发挥了极其重要的作用，并在此基础上建立起一门崭新的学科——核医学。
　　1963年美国物理学家科马克（A.M.Cormack）发现人体不同的组织对X射线的吸收本领不同，提出了用投影数据重建图像的数学方法。依此方法英国工程师亨斯菲尔德（G.N.Hounsfield）在1972年研制成**台头部X-CT，在临床上使用并获得清晰的诊断影像，使医学影像技术发生重大变革。目前，医用X-CT已成为临床医学诊断中*有效的手段之一。
　　生命科学研究中的一些重大进展也离不开物理学这个基础。例如，脱氧核糖核酸（即DNA），它是储存和传递生命遗传信息的物质基础，它的双螺旋结构的发现，就是在1953年由美国生物学家沃森（J.D.Watson）和英国物理学家克里克（F.H.Crick）根据X射线衍射方法获得的。
　　还有光纤内窥镜技术、激光技术、介入技术、X-CT技术、核磁共振成像技术以及放射线在诊断和治疗肿瘤方面技术的进步和突破，大多是从实验室中诞生的。这些物理学重大理论和技术在医学上的广泛应用，极大地推动了现代医学的发展进程，改善了我们生活的质量，对现代医学的发展产生了巨大而深远的影响。另外，物理实验在素质教育中同样充当极为重要的角色。因此，医学院校的学生应努力学好医学物理学的理论课和实验课，学会用物理学的理论和技术指导和应用于医学实践活动，为今后的学习和工作打下坚实的基础。
　　第二节 医学物理学实验课要求
　　物理实验是学生在教师指导下独立进行实验的一种实践活动，教学方式主要是学生自己动手，完成实验内容规定的任务，教师只是在关键的地方给予提示和指导。因此，要充分发挥学生的主观能动性，主要通过以下三个教学环节培养学生独立工作的能力和严肃认真、实事求是的工作作风。
　　一、实验前认真预习
　　预习是至关重要的。为此，要求在实验前必须认真阅读实验教材的相关内容，也可参考其他资料（首次实验要认真学习实验室规则和电学、电子学操作规程），了解实验的全貌，明确该实验的目的、实验原理、待测物理量及实验和测量方法，了解仪器的构造、操作方法和注意事项，在此基础上书写预习报告。预习报告内容主要包括以下几方面：实验名称、实验目的、原理摘要、主要仪器设备、实验步骤、数据记录表格等。上课时，指导教师可以检查学生的预习情况，对于没有预习和未完成预习报告的学生，指导教师有权停止该生本次实验。
　　二、实验中的操作
　　实验操作是实验的主要内容。首先要检查仪器设备，看其是否完备、齐全，如有问题，应向指导教师提出并解决。然后记录主要仪器的名称、型号、规格和编号，仔细阅读仪器说明书或仪器使用的注意事项，在教师指导下正确地组装和调试仪器，不要盲目操作、急于求成。实验时先观察实验现象，再进行精确测量。在观察、测量时，要做到正确读数，将原始数据如实记录在事先准备好的表格中。原始数据要做到整洁、有条理，以便于计算和复合。如确系错误数据，应轻轻划上一道并注明原因，在旁边写上正确值，使正、误数据都能清晰可辨，以供在分析测量结果和不确定度时参考。
　　实验遇到故障时要积极思考，在教师指导下学习排除故障的方法。实验结束时，将实验数据交教师审阅签字，整理还原仪器后方可离开实验室。
　　三、实验报告书写
　　实验后要对实验数据及时处理并撰写出一份简洁明了、工整、有见解的实验报告。其目的是培养和训练学生书面形式总结工作或报告科学成果的能力，这也是物理实验基本功训练的重要组成部分。实验报告要思路清晰、字迹清楚、文理通顺、图表正确、数据完备和结论明确。
　　四、实验报告、实验室规则及电学、电子学操作规程的内容
　　（一）实验报告的内容
　　（1）实验名称、实验者和合作者、学号、组别、座位号、日期等。
　　（2）实验目的和要求（预习完成）。
　　（3）实验仪器设备（在实验时记下型号和规格）。
　　（4）实验原理：用自己的语言简要地写出实验原理和主要计算公式，画出必要的原理图（预习完成）。
　　（5）实验基本步骤：写出主要的实验操作步骤，注意重点记录实验中的关键步骤。
　　（6）数据记录和处理：将原始数据整理后再记录于实验报告的数据表格中，并求出误差或不确定度，给出实验结果或结论，绘出相关的图表。
　　（7）实验讨论：对实验结果分析讨论，总结实验过程，对实验中观察到的异常现象进行解释，回答思考题以及提出改进建议等。说明通过实验得到的收获，提出改进建议，指出并讨论误差原因，回答课后思考题等。
　　（8）*后，将原始数据记录、图表粘贴在实验报告内一同交上，没有原始数据的实验报告不记成绩。报告中如有严重错误或字迹不清楚，则需重做。
　　（二）实验室规则
　　（1）进入实验室的一切人员必须严格遵守实验室的各项规章制度。
　　（2）实验前要根据指导教师的讲述或实验教程上的说明检查仪器、元器件，如有缺损应立即向指导教师报告。
　　（3）未了解仪器性能之前切勿动手操作，使用仪器时必须严格遵守实验操作规程。
　　（4）学生不准私自拆卸仪器，未经教师许可，不许做与本实验内容无关的实验。实验过程中要注意节约实验材料。
　　（5）实验完毕，要清理仪器及元器件，填写仪器使用登记表。关闭电源和水道，做好卫生工作，经实验指导教师允许后方可离开实验室。
　　（6）如有损坏仪器或丢失器材，视情节轻重，对有关责任者进行相应的处罚。
　　（三）电学、电子学操作规程
　　（1）首先认清实验仪器、元器件的名称、极性、标值。
　　（2）按电路图摆好各仪器及元器件位置，根据测量范围，选好量程，断开开关。一般用红色导线连接电源的“+”极输出。电表“+”极接高电势，“-”极接低电势，顺次连接电路。
　　（3）电路连接完毕后，必须请指导教师检查，确认无误后方可闭合开关。
　　（4）在实验测量过程中不允许改变仪器、仪表的量程，如需改变量程，要断开电路（切断电源），在整个电路不通电的情况下，再重新选定量程。
　　（5）测量出实验数据后，经指导教师审阅许可后，方可拆卸电路。拆卸电路时，要先断开开关，关闭电源。再将实验仪器、各元器件及导线整理复原。
　　第三节 如何做好医学物理学实验
　　一、端正学习态度，充分认识物理学实验课的重要性
　　医学物理学实验课是学生接受系统科学实验训练的开端。通过实验训练使学生掌握物理实验的基本方法、基本知识和基本技能。
　　基本的实验方法和测量技术在实际工作中会经常用到，它也是复杂实验和测量的基础。所以，要弄清它的原理、适用条件、操作要领，通过实验训练，达到在实际应用中也能灵活运用的程度。而且还要通过从事科学实验的基本训练来培养学生科学实验的能力和素质。因此学生必须要有严肃、认真的学习态度。
　　医学物理学实验课的教学时数少，需掌握的内容多。因此，学生应充分利用短暂的实验课时间。实验前充分预习，实验中按实验要求合理进行实验操作，仔细观察、思考实验现象，正确记录实验数据，并对实验结果加以全面分析，实验结束后认真写好实验报告，认真上好每一次实验课。
　　二、做好实验课前准备
　　实验前应认真预习基本物理仪器的原理和使用方法，使之能够借助实验教材或仪器说明书，正确地使用仪器以及进行各种基本操作；培养一定的动手操作能力，能够解决实验中的一般性技术问题，排除实验中的简单故障；在一定的仪器设备条件下，通过努力，得出尽可能好的实验结果。只有在大学的医学物理学实验课课堂上，学生才有机会接触许多精密、贵重的物理实验仪器和设备。因此在实验过程中要创造更多的使用和熟悉物理仪器的机会，尽可能做到熟练操作，为掌握复杂的医疗仪器设备打下坚实的基础。
　　三、要注意养成良好的实验习惯，确保安全**
　　良好的实验习惯是培养学生综合素质的重要组成部分，需要经过很多实验的总结、反思、回顾，以及实验中的不断磨炼才能形成。首先根据实验场所的环境和实验所需的器材，正确合理地安排好各种装置、电源及导线的位置，做到实验线路一目了然，实验材料不能随意摆放。尽可能减少实验过程中可能发生的人为故障，使实验得以准确、无误、顺利进行。特别是进行电学实验时，要养成安全用电的习惯，对每一个连接点都要确保完好连接。否则线路中只要有一个点虚接，就会浪费大量时间去反复检查线路，使实验不能顺利进行，甚至使整个实验得到错误的结论。
　　四、要注意掌握实验中所采用的基本测量方法
　　基本实验方法也是复杂测量方法的基础，实验过程中不但要理解其原理，同时要尽力熟悉和牢记，通过实验训练，达到在实际应用中能灵活运用的程度。
　　五、养成真实记录原始实验数据的习惯
　　字迹一定要清楚、整洁。对原始实验数据一定要实事求是地进行记录，要用钢笔或圆珠笔将原始数据、实验环境的温度、所使用仪器的名称、编号等准确无误地记在事先设计好的表格和预习报告上。对于原始数据绝不能随意更改，有些学生在看到自己的实验结果与所预期的不相符合时便随意改动原始数据，这是物理实验的大忌。众所周知，历史上许多物理定律都是由于实验数据与根据已有理论所预期的结果不一致才得以发现。所以真实地记录原始数据是取得正确实验结果的前提。
　　六、培养对实验结果进行分析、判断的能力
　　分析能力是实验者*重要、*基本的素质，分析是科学思维的基本过程和方法，能使在实验过程中由观察得到的现象和信息所反映的本质及其变化规律得以显现和总结。通过对实验过程中的正常和反常现象的分析、测试故障的分析、仪器的分析、测试环境影响的分析、误差分析和测量结果的分析等，来培养学生的分析和综合能力。当实验结果与所预期的不相符时，先根据不符合程度的大小来判断问题可能存在的环节，加以改正后重做实验。若无法判断出问题的原因，则请教师帮助解决，从中学会如何判断和解决问题，从而提高判断分析问题的能力。
　　七、珍惜每次实验课的时间
　　有时在完成规定的测量内容后还有剩余的时间，这时不要忙于结束实验。首先重新回忆和检查一下自己的整个实验过程，分析一下实验可能存在的问题，找出本实验的关键步骤所在，怎样做才能使实验更准确。如果仍有剩余时间则多进行一些仪器的操作，进一步掌握仪器的原理和使用方法。
　　八、培养学生理论联系实际、实事求是的工作作风
　　实验过程中应养成严肃认真、一丝不苟的工作态度，积极主动的探索精神和遵守纪律、团结协作、爱护公物的优良品德。
　　第四节 医学物理学实验中常用的实验方法
　　物理实验方法是基本的实验方法，是学习与掌握其他科学实验方法的基础。
　　一、比较法
　　比较法是*基本和*重要的测量方法之一。这种方法就是把待测的物理量直接或者间接地与作为基准（或标准单位）的同类物理量进行比较。比较法可分为直接比较测量法和间接比较测量法。
　　（一）直接比较测量法　
　　直接比较测量法是把待测物理量X与已知的同类物理量或者标准量S直接比较，这种比较通常要借助仪器或者标准量具，例如，用米尺来测量某一物体的长度就是*简单的直接比较法。其中*小分度毫米就是作为比较用的标准单位。
　　（二）通过平衡或零示测量进行直接比较　
　　在使用天平称物体的重量时，利用天平这一仪器达到平衡状态，使待测量与标准件（砝码）直接比较，其测量结果的准确度受天平本身灵敏度的制约，只能接近砝码的精度。用惠斯通电桥测量未知电阻就是平衡测量，平衡时检流计示零。
　　（三）间接比较测量法　
　　当一些物理量难用直接比较法测量时，可以利用物理量之间的函数关系将待测物理量与同类标准量进行间接比较测量。例如，电流表是利用通电线圈在磁场中受到的电磁力矩与游丝的扭力矩作用达到平衡状态时，电流的大小与电流表指针的偏转量之间具有一定的对应关系而制成的，因此可用电流表指针的偏转量间接比较出电路中的电流强度。
　　二、转换测量法
　　如果知道某些物理量之间的相互关系和函数形式，就可以将一些不易测量的物理量转化成可以或易于测量的物理量来进行测量，此即转换测量法。它几乎渗透到力学实验的各个领域，是物理实验中常用的方法之一。寻求物理量之间的关系，是探索物理学奥秘的主要方法之一，也是物理学中常见的课题。转换测量法大致可分为参量转换测量法和能量转换测量法两大类。
　　（一）参量转换测量法
　　它利用各种参量在一定实验条件下存在着简单的换算关系来实现待测参量的转换测量。例如，测定钢丝的杨氏模量E，是利用钢丝在线弹性范围内应力与应变成正比的规律，将待测量E用杨氏模量测定仪转换成对应变量ΔL/L与应力量F／S的测量，即通过测量L、ΔL、F、S，利用公式E=（F/S）/（ΔL/L），求出待测量。
　　参量转换测量在实用技术中亦有广泛应用，例如，当偏振光进入旋光物质后偏振面将发生旋转，其转角的大小与旋光溶液的浓度成正比，依此可制成测定糖溶液浓度的“量糖计”；用弹簧秤测物体质量，本质上是通过将其转换成测量物体重力来实现的。
　　（二）能量转换测量法
　　此法是利用换能器（又称传感器）将一种形式的能量转换成另一种形式的能量进行测量的。
　　（1）热电换测：它是将热学量转换成电学量进行测量的。热电偶即是利用温差电效应，吸收被测物体的热量并将其转换成电能，将温度测量转换成温差电动势的测量。
　　（2）磁电换测：这种方法利用半导体的霍尔效应，用霍尔电势的大小反映磁感应强度的大小，以霍尔电势的方向，判断磁感应强度的方向，是磁电换测中的方法之一。
　　（3）压电换测：它通过压力与电势间的变换进行测量。一些结构上不对称的晶体，或正常的晶体，由于切割而具有不对称结构，如石英、钛酸钡、酒石酸钾钠等，它们在特定方向上受压力时会发生极化，进而在两个端面出现电势差，这种现象称为压电效应。这个现象的逆效应是在这种晶片的特定方向上加上一定电压，晶体将发生弹性形变，称为电致伸缩效应。利用这种性质可制成压电传感器，实现压力与电势间的变换测量。
　　（4）光电换测：通过光通量的变化转换为电量变化再进行测量的方法称为光电换测，如常见的硅光电池、光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等皆为光电换测传感器（元件）。其中硅光电池可把光能直接转换为电能，其转换效率为12％，故可作为电源使用。
　　三、线性放大法
　　当待测量很小又无法使用宽度展延时，就必须考虑对其放大，而且必须线性放大，否则会失真。常见的放大方法有以下几种：

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