一、醫學物理學實驗教學目的和任務
物理學與實驗的關係十分密切,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實驗為基礎,從實驗中總結出規律和理論,然後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。因此,進行物理實驗,對學生掌握物理學知識,培養科學思維能力,提高科學素質等都是極為重要的。
(一)教學目的
醫學物理學是一門為醫學服務的物理學科,闡述了現代醫學與物理學密不可分的關係。醫學物理學是現代醫學、藥學的基礎學科之一,在現代醫學、藥學中已廣泛地應用醫學物理學的理論、技術和方法。因此,要掌握現代的醫藥學知識和技術,就必須具備一定的物理實驗理論、方法和技能。高等醫學院校所開設的醫學物理學實驗,包含普通物理實驗的一些基本內容、基本實驗方法,但側重點放在了與醫學、生命科學聯係較為密切的一些實驗上。醫學物理學實驗課與醫學物理學理論課相輔相成,既有聯係又相對獨立。醫學物理學實驗教學的目的和任務可以歸納為以下幾個方麵:
通過實驗,使學生直接觀察到物理現象,進一步地分析和研究物理現象,加深對物理概念和物理規律的認識和理解。
通過實驗,對學生進行基本的科學實驗方法和技能的訓練。學會正確使用基本測量儀器,熟悉儀器的原理和性能;能正確地記錄和處理實驗數據;能書寫合格的實驗報告。
通過實驗,培養學生嚴肅認真、細致踏實、實事求是的科學態度,具備主動研究的探索精神和團結協作、愛護公物、遵守紀律的優良品格。
(二)教學任務
醫學物理學實驗是在老師指導下由學生獨立進行的。要做好實驗,必須課前認真預習,實驗過程中規範操作,實驗之後仔細完成完整、準確的實驗報告。下麵就實驗的預習、操作和提交報告三個環節,提出如下幾點要求:
1.課前預習為保證實驗的順利進行並取得滿意效果,必須進行實驗前的預習。預習要求:①.了解實驗內容,明確實驗目的要求,弄懂實驗的設計原理和實驗方法;②.對實驗所用儀器的構造、性能和使用方法有初步認識;③.了解實驗內容與步驟及有關注意事項,弄清實驗各物理量測量的要求和記錄方法。完成實驗預習所要求的思考題,並在實驗專用的記錄本上自行設計數據記錄表格。
2.實驗操作實驗中的正確操作、仔細觀察及如實記錄,是做好實驗的中心環節。要求做到:①.遵守實驗室規則和程序;②.實驗操作前要弄清楚儀器構造、性能和正確的使用方法,了解注意事項,按規程操作;③.按實驗步驟有條不紊地進行操作,要明確每一步操作的意義,實驗中出現不正常情況要及時請教老師,不要自己隨意處理;④.從儀器上讀出的數據要如實、準確,並及時做好記錄,計算必要的結果,不允許杜撰、抄襲實驗數據;⑤.實驗完畢,待指導老師檢查測量的實驗數據及結果是否符合要求,並在數據記錄單上簽字,須整理好儀器方可離開實驗室,並保持實驗室的整潔。
3.整理實驗報告實驗報告是整個實驗過程的最終總結。通過對實驗數據做出整理、計算,對實驗中所觀察到的現象加以分析和討論,寫出完整的實驗報告。一份完整的實驗報告應包括以下內容:①.實驗名稱;②.實驗目的;③.實驗器材;④.實驗原理(簡單概括,寫出原理所對應的公式表達式、畫出簡單原理圖等);⑤.實驗步驟(簡要明了的概括,盡量保全重要細節,不用全抄課本);⑥.實驗數據記錄(數據表格及實驗環境條件);⑦.數據處理及實驗結果(計算結果或曲線、結果表達式及誤差等);⑧.實驗結果的分析討論(誤差分析、總結);⑨.回答課後思考題等。
二、測量的誤差及誤差的計算
(一)測量
1.測量及其分類實驗除了定性地觀察物理過程外,還要測量有關物理量,以尋找或確定它們之間的定量關係。所謂測量,就是將待測物理量與選定的同類單位量進行比較,其比值(倍數)即為測量值的數值,即為測量結果。顯然,數值的大小與所選的單位有關,測量數值必須附以單位。因此,表示一個測量值時必須包括數值和單位。如用直尺測量一物體的長度為58.5.cm,則說明數值是58.5,選用的標準單位是cm。
以某幾個選定的基本單位為基礎,就能推導出一係列導出單位,這一係列基本單位和導出單位的整體就稱為單位製。如國際單位製(簡稱SI)是世界唯一公認的科學單位製,它選定了七個基本物理量,即長度(m)、質量(kg)、時間(s)、電流強度(A)、熱力學溫度(K)、物質的量(mol)和發光強度(cd)的單位為基本單位,其他物理量的單位可由這些基本單位導出,稱為導出單位。
2.直接測量與間接測量直接測量是用儀器直接將待測量與選定的同類單位量進行比較,即直接在儀器上讀出待測量的數值。例如,用米尺測長度,用天平稱質量,用伏特表測電壓,用秒表測時間等。對大多數的物理量來說,沒有可供直接進行測量、讀數用的儀器,隻能采用間接測量。間接測量是由幾個直接測量出的物理量,通過已知的函數關係、物理公式或定律進行計算,從而求出待測量結果。例如,要測量一球體的密度,可先直接測量球的直徑d和質量m,再利用公式ρ=mV=6mπd3計算出密度,所以密度測量是間接測量。
在進行物理測量時常遇到兩個問題,一是測量讀數,二是測量結果的可靠程度。前者屬於有效數字問題,後者屬於測量誤差問題,下麵分別介紹:
(二)測量的誤差
1.誤差的定義每一個物理量都具有客觀存在的數值,此值稱為該物理量的真值。測量的目的就是力求獲得真值。但是,在實際測量過程中,由於受到測量方法、測量儀器、測量條件及測量人員水平的限製,使得測量結果與真值不可能完全相同。也就是說測量得到的隻是物理量真值的近似值,此值稱為測量值。實際測量中,由於儀器準確度、測量方法、環境等因素的影響,任何測量總得不到真實值,即測量結果和被測量的真值之間,總是或多或少地存在一些差異,這種差異稱為誤差。
設被測量的真值以x0表示,測量值以x表示,則它們的差值
Δx=x-x0(0-1)
Δx定義為測量誤差。Δx>0時稱為正誤差,Δx
2.誤差的分類根據誤差的性質把它們歸納為係統誤差、隨機誤差和過失誤差三大類。
(1)係統誤差係統誤差也稱為恒定誤差,是指測量中未確認或未被發覺的因素所引起的誤差。例如,儀器的缺陷、環境因素變化、個人習慣、理論及測量方法不嚴密等所造成的誤差。其特征是:在同一條件下(指儀器、方法、環境及觀測者一定)對同一量進行多次測量時,測量值總是有規律地朝同一方向偏離,即總是偏大,或總是偏小,或者按照一定的規律(如遞增、遞減或周期性等)變化。係統誤差是帶係統性和方向性的誤差,消除係統誤差的方法主要是校正、改進實驗儀器,對實驗理論進行完善,糾正實驗者不良習慣等。因此,隻要采取適當措施對測量值進行修正,就可以使之減至最小,但實驗中僅靠增加測量次數並不能減小係統誤差。
(2)偶然誤差偶然誤差又稱隨機誤差,是由一些偶然的、不確定的因素所引起的誤差。其特征是:在同一條件下,對同一物理量進行多次測量,多次測量結果會時大時小,時正時負,沒有確定的變化規律。但對同一物理量進行多次重複測量時,則發現物理測量中的偶然誤差多是服從正態分布規律,減少偶然誤差的方法就是進行多次重複測量。
(3)過失誤差過失誤差是人為的誤差,也稱為粗大誤差。由於觀測者不正確地使用儀器、觀測錯誤,或數據記錄錯誤等情況均會造成過失誤差。其特征是:誤差很大,明顯超出所預期的誤差範圍。因此,實驗者必須要有嚴肅認真的態度,按規程記錄和處理數據。含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值,正確的測量結果中不應該含有粗大誤差。這類誤差歪曲了測量結果,應當將其剔除。但是什麼樣的數據可以認為是有過失誤差的壞數據,則應慎重處理。一般是在測量後整理數據發現有錯誤時,經過對實驗環境、過程及物理規律的分析,不合理的異常數據才可以舍棄,或重新進行測量。
3.不確定度由於測量誤差的存在而對被測量值不能確定的程度稱為不確定度。它表征了測量值附近的一個值域範圍,包含真值的可能程度。我國在1992年頒布的《計算技術規範測量誤差與數據處理》中規定,采用不確定度作為基準研究、測量和實驗工作中的誤差數字指標的名稱。在物理實驗中,也應使用不確定度來評價實驗結果。
不確定度的評定方法分為A類和B類。A類不確定度是采用統計方法算出的分量;B類不確定度是采用其他方法估算的分量。對兩類分量進行合成即為總不確定度。在測量要求不高的情況下,對於初學者來說,通常隻討論采用統計方法計算的A類不確定度。