物理學(xué)實(shí)驗(yàn)(第3版)
定 價(jià):22 元
叢書名:普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材
- 作者:侯俊玲,剛晶,黃浩主編
- 出版時(shí)間:2012/6/1
- ISBN:9787030348340
- 出 版 社:科學(xué)出版社
- 中圖法分類:R312-33
- 頁(yè)碼:137
- 紙張:膠版紙
- 版次:3
- 開本:16K
《全國(guó)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(duì)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(guó)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(cè)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(guó)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(guó)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。
更多科學(xué)出版社服務(wù),請(qǐng)掃碼獲取。
《中國(guó)科學(xué)院教材建設(shè)專家委員會(huì)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,是在科學(xué)出版社出版的中國(guó)科學(xué)院教材建設(shè)專家委員會(huì)規(guī)劃教材、全國(guó)高等醫(yī)藥院校規(guī)劃教材《物理學(xué)實(shí)驗(yàn)》第2版的基礎(chǔ)上,吸收現(xiàn)有各種版本中、西醫(yī)實(shí)驗(yàn)教材的合理創(chuàng)新之處,在北京中醫(yī)藥大學(xué)的牽頭組織和全國(guó)各個(gè)中醫(yī)藥院校的支持下聯(lián)合編寫而成的。《中國(guó)科學(xué)院教材建設(shè)專家委員會(huì)規(guī)劃教材:物理學(xué)實(shí)驗(yàn)(第3版)》保留了第2版的主要實(shí)驗(yàn),并增加了兩個(gè)實(shí)驗(yàn),即“毛細(xì)管法測(cè)定液體表面張力系數(shù)”和“用光電比色計(jì)測(cè)定液體的濃度”。全書設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)共31個(gè),緒論在第2版的基礎(chǔ)上,更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刂匦職w納和總結(jié)了實(shí)驗(yàn)誤差理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法,突出物理實(shí)驗(yàn)方法和思想的教學(xué)。
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(shí)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(duì)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(shí)、實(shí)驗(yàn)技能;并為進(jìn)一步運(yùn)用這些知識(shí)和技能解決醫(yī)學(xué)實(shí)踐中的相關(guān)問(wèn)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(lái),應(yīng)達(dá)到以下三個(gè)基本要求:
(1)通過(guò)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(duì)物理現(xiàn)象及規(guī)律的認(rèn)識(shí)。
(2)通過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)往往是不完整的、不具體的。只有通過(guò)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(shí)和實(shí)際的經(jīng)驗(yàn),變?yōu)榻鉀Q實(shí)際問(wèn)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(guò)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(duì)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(méi)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)康模畬?shí)驗(yàn)原理,了解實(shí)驗(yàn)方法;對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的性能和使用方法有初步認(rèn)識(shí);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(guò)預(yù)習(xí),應(yīng)對(duì)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(cè)量的量和間接測(cè)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(guò)實(shí)驗(yàn)操作,可以對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究,增強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)技能的提高。實(shí)驗(yàn)操作過(guò)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(shí)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(wú)誤后才可接通電源。將測(cè)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(cè)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(guò)程中要十分注意各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。不僅對(duì)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(cè)量、工整記錄;對(duì)于一些次要的現(xiàn)象、預(yù)先沒(méi)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(guò)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)獾龋娇呻x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(guò)程的最終總結(jié)。首先要認(rèn)真細(xì)致地對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出整理和計(jì)算,對(duì)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(guò)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(hào)、主規(guī)格和編號(hào)等,實(shí)驗(yàn)材料的樣品名稱、來(lái)源及其編號(hào)等);實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄒ蠛?jiǎn)單明了地寫出幾條);簡(jiǎn)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(cè)量原理等);簡(jiǎn)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(cè)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(duì)相關(guān)問(wèn)題的回答。
第二節(jié) 測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理
一、物理量的測(cè)量及測(cè)量誤差
1.測(cè)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(lái)表達(dá),驗(yàn)證和建立物理定律和定理通常要對(duì)物理量進(jìn)行正確測(cè)量。所謂測(cè)量就是將待測(cè)的物理量與選定的同類單位量相比較。廣義上講,測(cè)量是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的基本手段。通過(guò)測(cè)量,人們對(duì)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(cè)量分為直接測(cè)量與間接測(cè)量?jī)煞N類型。直接測(cè)量是直接用儀器或儀表讀出測(cè)量的數(shù)值。例如,用米尺測(cè)量物體長(zhǎng)度,用秒表測(cè)量時(shí)間,用溫度計(jì)測(cè)量溫度等。間接測(cè)量是由已知的定律、公式間接計(jì)算出的待測(cè)量。例如,通過(guò)直接測(cè)量出單擺的擺長(zhǎng)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(guò)間接測(cè)量得到的。
2.測(cè)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(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值,稱為真值。然而,實(shí)際測(cè)量時(shí)得到的結(jié)果值稱為測(cè)量值。由于測(cè)量?jī)x器、實(shí)驗(yàn)條件以及觀察者的感官和測(cè)量環(huán)境的限制等諸多因素的影響,測(cè)量不可能無(wú)限精確,因此測(cè)量值只是近似值,測(cè)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(cè)量的誤差。誤差存在于一切測(cè)量之中,存在于測(cè)量過(guò)程的始終。討論誤差的來(lái)源、消除或減少測(cè)量的誤差,是提高測(cè)量的準(zhǔn)確程度,使測(cè)量結(jié)果更為可信的關(guān)鍵。測(cè)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(guò)校正儀器,改進(jìn)測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)的干擾,不規(guī)律的機(jī)械振動(dòng),以及測(cè)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(cè)量值具有偶然性,即每一次測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差大小和正負(fù)是不確定的,是一種無(wú)規(guī)則的漲落,看不出它們的規(guī)律性。對(duì)于同一被測(cè)物理量,在相同條件下進(jìn)行多次測(cè)量,當(dāng)測(cè)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。或者說(shuō)在測(cè)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(cè)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(cè)量的次數(shù),可以盡可能減少測(cè)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(duì)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。客觀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(cè)量數(shù)據(jù)也應(yīng)予以剔除。
二、直接測(cè)量量誤差的計(jì)算
由于測(cè)量誤差的存在,所以在直接測(cè)量中不可能確切地測(cè)出物理量的真值。為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確,要通過(guò)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(cè)量方法等手段盡可能對(duì)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(cè)量。一般情況下,各次測(cè)得的結(jié)果不同,那么什么量最接近真值,測(cè)量的準(zhǔn)確程度怎么樣,這些都是我們要討論的問(wèn)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(shuō)過(guò),偶然誤差雖然具有偶然性,但是在測(cè)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(shuō)就是:
(1)各次測(cè)量之間沒(méi)有直接關(guān)系,互相獨(dú)立;
(2)各次測(cè)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(cè)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(cè)量的次數(shù)足夠多時(shí),所得測(cè)量結(jié)果比真值大的和比真值小的數(shù)目相同。