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《全國高等醫(yī)藥院校規(guī)劃教材:物理學(xué)實(shí)驗(yàn)(第3版)》是理論教材《物理學(xué)》第3版的配套教材，是在2010年出版的《物理學(xué)實(shí)驗(yàn)》第2版的基礎(chǔ)上，根據(jù)醫(yī)藥物理學(xué)教學(xué)大綱的要求，結(jié)合高等醫(yī)藥院校深化教學(xué)改革的需要，本著實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成、相對獨(dú)立的教學(xué)特點(diǎn)，在參考已有的其他同類醫(yī)藥院校物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教材的基礎(chǔ)上，由北京中醫(yī)藥大學(xué)牽頭，全國18所高等醫(yī)藥院校參編的第3版教材。全書共編排22個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中有6個(gè)實(shí)驗(yàn)還涉及2種以上的實(shí)驗(yàn)測量方法。書中還包含了實(shí)驗(yàn)誤差理論及數(shù)據(jù)處理方法。在最后還附有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常用到的物理量數(shù)據(jù)附表，可隨時(shí)查閱。
《全國高等醫(yī)藥院校規(guī)劃教材:物理學(xué)實(shí)驗(yàn)(第3版)》適用于全國高等醫(yī)藥院校醫(yī)藥類各個(gè)專業(yè)使用，也可作為成人教育、生命科學(xué)、衛(wèi)生管理等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生及相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究人員的參考書。

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緒論
物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本、最普遍的規(guī)律的科學(xué)，也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)，它的理論和實(shí)驗(yàn)方法被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究中，并且正在積極地推動(dòng)著醫(yī)學(xué)的發(fā)展。物理學(xué)又是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，其規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和理論的建立，都必須以嚴(yán)格的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。因此，要掌握現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)知識和技術(shù)，就必須具備一定的物理學(xué)理論、物理實(shí)驗(yàn)的方法和技能。在高等醫(yī)學(xué)院校中，“物理學(xué)實(shí)驗(yàn)”是配合“物理學(xué)”而開設(shè)的相對獨(dú)立的一門課程。本課程除包含了常規(guī)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的一些基本內(nèi)容外，還安排了一些與醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、生命科學(xué)聯(lián)系較為密切的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。它與理論課相輔相成，開設(shè)目的在于培養(yǎng)學(xué)生們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，使他們能獲得在今后實(shí)際工作和醫(yī)學(xué)理論研究中所必需的物理學(xué)知識、實(shí)驗(yàn)技能；并為進(jìn)一步運(yùn)用這些知識和技能解決醫(yī)學(xué)實(shí)踐中的相關(guān)問題奠定基礎(chǔ)。
第一節(jié) 物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的和主要環(huán)節(jié)
一、物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的和任務(wù)
物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)是以使學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)的基本功，達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才為目的的，概括起來，應(yīng)達(dá)到以下三個(gè)基本要求：
（1）通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生直接觀察物理現(xiàn)象，進(jìn)一步分析和研究物理現(xiàn)象，探討其產(chǎn)生原因及規(guī)律，鞏固和加深對物理現(xiàn)象及規(guī)律的認(rèn)識。
（2）通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉儀器的結(jié)構(gòu)性能和操作方法，學(xué)會(huì)正確地使用儀器，學(xué)會(huì)科學(xué)的處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，掌握物理實(shí)驗(yàn)的方法，提高實(shí)驗(yàn)技能。本門課程所涉及的儀器大多都與醫(yī)藥學(xué)科研和實(shí)際工作有關(guān)，涉及的一些實(shí)驗(yàn)方法也可以直接應(yīng)用于醫(yī)藥學(xué)研究之中。因此，通過這些實(shí)驗(yàn)，還應(yīng)該為學(xué)生們的后續(xù)課程學(xué)習(xí)以及日后工作和科研打下良好的基礎(chǔ)。
（3）通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真、細(xì)致謹(jǐn)慎、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。
高等醫(yī)藥院校中，學(xué)生們進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)也是真正理解和掌握物理理論的重要手段。只從書本上得到的知識往往是不完整的、不具體的。只有通過實(shí)驗(yàn)，才能使抽象的概念和深?yuàn)W的理論變成具體的知識和實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，變?yōu)榻鉀Q實(shí)際問題的有力工具。因此，要真正理解和掌握物理理論，只從課堂上學(xué)習(xí)是不夠的，還必須到實(shí)驗(yàn)室去進(jìn)一步學(xué)習(xí)。親自動(dòng)手，親自體會(huì)，才能真正學(xué)到具體的、與醫(yī)藥學(xué)相關(guān)的，并且可以直接應(yīng)用于醫(yī)藥學(xué)實(shí)際中的物理學(xué)。
二、物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要環(huán)節(jié)
與其他課程的學(xué)習(xí)有所不同，為了很好地完成每一次物理實(shí)驗(yàn)，并有所收獲，需要掌握一定的方法。這些方法包括：實(shí)驗(yàn)之前必須認(rèn)真預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該認(rèn)真操作，實(shí)驗(yàn)之后認(rèn)真總結(jié)，并提供完整準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。對這三個(gè)主要環(huán)節(jié)的具體要求如下：
1.課前預(yù)習(xí)
預(yù)習(xí)是上好實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)和前提。沒有預(yù)習(xí)，或許可以聽好一堂理論課，但絕不可能完成好一次實(shí)驗(yàn)課。預(yù)習(xí)的基本要求是：詳細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康�，弄懂�?shí)驗(yàn)原理，了解實(shí)驗(yàn)方法；對實(shí)驗(yàn)儀器的性能和使用方法有初步認(rèn)識；明確實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)，避免盲目操作、損壞儀器。有些實(shí)驗(yàn)還需要翻閱一些參考書。通過預(yù)習(xí)，應(yīng)對即將做的實(shí)驗(yàn)有一個(gè)初步的了解。然后寫好一份預(yù)習(xí)報(bào)告（包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康�、原理、步驟、電路或光路圖及數(shù)據(jù)表格等）。預(yù)習(xí)報(bào)告中的數(shù)據(jù)表格很重要，通常是真正理解了如何做實(shí)驗(yàn)時(shí)，才能畫好這個(gè)表格。表中要留有余地，以便有估計(jì)不到的情況發(fā)生時(shí)能夠記錄。直接測量的量和間接測量的量在表中要清楚地分開，不應(yīng)混淆。
2.實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)操作
通過實(shí)驗(yàn)操作，可以對物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究，增強(qiáng)對理論知識的理解，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)技能的提高。實(shí)驗(yàn)操作過程也正是實(shí)驗(yàn)課的主體環(huán)節(jié)。
進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室必須詳細(xì)了解并嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)規(guī)章制度。操作前先認(rèn)識和熟悉實(shí)驗(yàn)所用儀器，并認(rèn)真檢查，了解儀器的性能和使用方法，按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作。在儀器調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)先粗調(diào)后微調(diào)；讀數(shù)時(shí)，應(yīng)先取大量程后取小量程。在涉及安全用電的實(shí)驗(yàn)中，必須經(jīng)教師檢查無誤后才可接通電源。將測量數(shù)據(jù)填寫在預(yù)習(xí)報(bào)告的表格內(nèi)，再計(jì)算出必要的結(jié)果，若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，要增加測量次數(shù)。數(shù)據(jù)記錄必須真實(shí)，絕不可任意偽造和篡改。這是科學(xué)工作者的基本道德素養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)過程中要十分注意各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。不僅對主要的現(xiàn)象、預(yù)先估計(jì)到的現(xiàn)象，做認(rèn)真觀察、仔細(xì)測量、工整記錄；對于一些次要的現(xiàn)象、預(yù)先沒有估計(jì)到的現(xiàn)象，也要注意觀察和如實(shí)記錄，最好還要進(jìn)行分析和討論。實(shí)驗(yàn)過程中要保持實(shí)驗(yàn)室的清潔。實(shí)驗(yàn)完成后，應(yīng)整理好儀器設(shè)備，關(guān)好水、電、燃?xì)獾�，方可離開實(shí)驗(yàn)室。
3.填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告
填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告是培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究人才的重要手段。實(shí)驗(yàn)報(bào)告也是實(shí)驗(yàn)全過程的最終總結(jié)。首先要認(rèn)真細(xì)致地對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出整理和計(jì)算，對結(jié)果加以分析，在此基礎(chǔ)上寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)當(dāng)真實(shí)而全面地記錄實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)過程中得到全部信息。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括的內(nèi)容有：實(shí)驗(yàn)題頭（包括實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)日期、時(shí)段、實(shí)驗(yàn)操作者及同組人姓名）；實(shí)驗(yàn)器材（包括儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料等，要求寫明儀器設(shè)備名稱、型號、主規(guī)格和編號等，實(shí)驗(yàn)材料的樣品名稱、來源及其編號等）；實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄒ蠛唵蚊髁说貙懗鰩讞l）；簡明的實(shí)驗(yàn)原理（包括相應(yīng)的原理、公式、算法和實(shí)驗(yàn)方法，儀器設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和測量原理等）；簡要的實(shí)驗(yàn)步驟；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其處理（應(yīng)包括填寫于表格中的所測量數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算，誤差的計(jì)算等）；結(jié)果分析（必要時(shí)繪出圖線）；記錄實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件，如室溫、氣壓等與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的外部條件；討論總結(jié)；對相關(guān)問題的回答。
第二節(jié) 測量誤差及數(shù)據(jù)處理
一、物理量的測量及測量誤差
1.測量的分類
物理定律和定理反映了物理現(xiàn)象的規(guī)律性。然而，這些規(guī)律通常由各種物理量間的數(shù)值關(guān)系來表達(dá)，驗(yàn)證和建立物理定律和定理通常要對物理量進(jìn)行正確測量。所謂測量就是將待測的物理量與選定的同類單位量相比較。廣義上講，測量是人類認(rèn)識世界和改造世界的基本手段。通過測量，人們對客觀事物可以獲得定量的概念，總結(jié)出它們的規(guī)律性，從而建立起相應(yīng)的理論。
測量分為直接測量與間接測量兩種類型。直接測量是直接用儀器或儀表讀出測量的數(shù)值。例如，用米尺測量物體長度，用秒表測量時(shí)間，用溫度計(jì)測量溫度等。間接測量是由已知的定律、公式間接計(jì)算出的待測量。例如，通過直接測量出單擺的擺長l，由公式T＝2πg(shù)l 求出單擺的周期T，大多數(shù)物理量都是通過間接測量得到的。
2.測量的誤差及分類
理論上講，物理量應(yīng)該存在著客觀上絕對準(zhǔn)確的數(shù)值，稱為真值。然而，實(shí)際測量時(shí)得到的結(jié)果值稱為測量值。由于測量儀器、實(shí)驗(yàn)條件以及觀察者的感官和測量環(huán)境的限制等諸多因素的影響，測量不可能無限精確，因此測量值只是近似值，測量值與客觀存在的真值之間總是有一定的差異，我們把這一差異稱為測量的誤差。誤差存在于一切測量之中，存在于測量過程的始終。討論誤差的來源、消除或減少測量的誤差，是提高測量的準(zhǔn)確程度，使測量結(jié)果更為可信的關(guān)鍵。測量誤差按其產(chǎn)生的原因和性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類。
（1）系統(tǒng)誤差：這種誤差是由于儀器本身缺陷（如刻度不均勻，零點(diǎn)不準(zhǔn)等）、公式和定律本身不夠嚴(yán)密、實(shí)驗(yàn)者自身的生理等因素造成的。系統(tǒng)誤差可以通過校正儀器，改進(jìn)測量方法，修正公式和定律，改善實(shí)驗(yàn)條件和糾正不正確習(xí)慣等辦法盡可能加以減少。在通常的實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)條件一旦確定，系統(tǒng)誤差也隨之客觀地確定了，多次重復(fù)測量不可能發(fā)現(xiàn)更不可能減少系統(tǒng)誤差。
（2）偶然誤差：這種誤差是由許多不穩(wěn)定的偶然因素引起的。例如，測量環(huán)境的溫度、濕度和氣壓的起伏，電源電壓的波動(dòng)，電磁場的干擾，不規(guī)律的機(jī)械振動(dòng)，以及測量者感覺器官的隨機(jī)錯(cuò)覺等偶然因素產(chǎn)生的誤差。誤差偶然的存在使得每次測量值具有偶然性，即每一次測量時(shí)產(chǎn)生的誤差大小和正負(fù)是不確定的，是一種無規(guī)則的漲落，看不出它們的規(guī)律性。對于同一被測物理量，在相同條件下進(jìn)行多次測量，當(dāng)測量的次數(shù)足夠多時(shí)，則正負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)或概率相等�；蛘哒f在測量的次數(shù)足夠多的情況下，偶然誤差服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，測量結(jié)果總是在真值附近漲落。由于這種誤差的偶然性，它是不可消除的，但是增加重復(fù)測量的次數(shù)，可以盡可能減少測量的偶然誤差。
需要指出的是，誤差和錯(cuò)誤是兩個(gè)完全不同的概念。錯(cuò)誤是由實(shí)驗(yàn)者對儀器使用不正確、實(shí)驗(yàn)方法不合理，或者違犯操作規(guī)程、粗心大意讀錯(cuò)數(shù)據(jù)、運(yùn)算不準(zhǔn)等原因?qū)е碌��？陀^上存在的誤差可以設(shè)法減少，但是主觀的錯(cuò)誤和失誤必須避免，相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)也應(yīng)予以剔除。
二、直接測量量誤差的計(jì)算
由于測量誤差的存在，所以在直接測量中不可能確切地測出物理量的真值。為了確保測量的準(zhǔn)確，要通過理論公式引入修正值、消除系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的因素、改進(jìn)測量方法等手段盡可能對系統(tǒng)誤差加以減少和修正。同時(shí)為了盡量減少偶然誤差的影響，還需要進(jìn)行反復(fù)多次的測量。一般情況下，各次測得的結(jié)果不同，那么什么量最接近真值，測量的準(zhǔn)確程度怎么樣，這些都是我們要討論的問題。下面僅就偶然誤差的情況進(jìn)行討論。
1.算術(shù)平均值
前面說過，偶然誤差雖然具有偶然性，但是在測量的次數(shù)足夠多時(shí)，其整體服從一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，具體地說就是：
（1）各次測量之間沒有直接關(guān)系，互相獨(dú)立；
（2）各次測量的結(jié)果都落在真值附近，與真值偏離較大的機(jī)會(huì)很少；
（3）由于誤差的偶然性，測量結(jié)果比真值大的機(jī)會(huì)與比真值小得機(jī)會(huì)相等，而當(dāng)測量的次數(shù)足夠多時(shí)，所得測量結(jié)果比真值大的和比真值小的數(shù)目相同。

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