《全國高等醫(yī)藥院校規(guī)劃教材:物理學(xué)實驗(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)實驗》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，本著實驗教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成、相對獨立的教學(xué)特點，在參考已有的其他同類醫(yī)藥院校物理學(xué)實驗教材的基礎(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個實驗，其中有6個實驗還涉及2種以上的實驗測量方法。書中還包含了實驗誤差理論及數(shù)據(jù)處理方法。在最后還附有實驗教學(xué)中常用到的物理量數(shù)據(jù)附表，可隨時查閱。
《全國高等醫(yī)藥院校規(guī)劃教材:物理學(xué)實驗(第3版)》適用于全國高等醫(yī)藥院校醫(yī)藥類各個專業(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)實驗教學(xué)和研究人員的參考書。
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《中國科學(xué)院教材建設(shè)專家委員會規(guī)劃教材：物理學(xué)實驗（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)出版社出版的中國科學(xué)院教材建設(shè)專家委員會規(guī)劃教材、全國高等醫(yī)藥院校規(guī)劃教材《物理學(xué)實驗》第2版的基礎(chǔ)上，吸收現(xiàn)有各種版本中、西醫(yī)實驗教材的合理創(chuàng)新之處，在北京中醫(yī)藥大學(xué)的牽頭組織和全國各個中醫(yī)藥院校的支持下聯(lián)合編寫而成的。《中國科學(xué)院教材建設(shè)專家委員會規(guī)劃教材：物理學(xué)實驗（第3版）》保留了第2版的主要實驗，并增加了兩個實驗，即“毛細管法測定液體表面張力系數(shù)”和“用光電比色計測定液體的濃度”。全書設(shè)計了基礎(chǔ)物理學(xué)實驗和綜合設(shè)計性實驗共31個，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)了實驗誤差理論與實驗數(shù)據(jù)處理方法，突出物理實驗方法和思想的教學(xué)。
緒論
物理學(xué)是研究物質(zhì)運動最基本、最普遍的規(guī)律的科學(xué)，也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)，它的理論和實驗方法被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究中，并且正在積極地推動著醫(yī)學(xué)的發(fā)展。物理學(xué)又是一門實驗科學(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)實驗為基礎(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、物理實驗的方法和技能。在高等醫(yī)學(xué)院校中，“物理學(xué)實驗”是配合“物理學(xué)”而開設(shè)的相對獨立的一門課程。本課程除包含了常規(guī)大學(xué)物理實驗的一些基本內(nèi)容外，還安排了一些與醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、生命科學(xué)聯(lián)系較為密切的實驗內(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際工作和醫(yī)學(xué)理論研究中所必需的物理學(xué)知識、實驗技能；并為進一步運用這些知識和技能解決醫(yī)學(xué)實踐中的相關(guān)問題奠定基礎(chǔ)。
第一節(jié) 物理學(xué)實驗的目的和主要環(huán)節(jié)
一、物理學(xué)實驗的目的和任務(wù)
物理實驗課程的教學(xué)是以使學(xué)生掌握物理實驗的基本功，達到培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才為目的的，概括起來，應(yīng)達到以下三個基本要求：
（1）通過實驗使學(xué)生直接觀察物理現(xiàn)象，進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)律的認識。
（2）通過實驗使學(xué)生熟悉儀器的結(jié)構(gòu)性能和操作方法，學(xué)會正確地使用儀器，學(xué)會科學(xué)的處理實驗數(shù)據(jù)，掌握物理實驗的方法，提高實驗技能。本門課程所涉及的儀器大多都與醫(yī)藥學(xué)科研和實際工作有關(guān)，涉及的一些實驗方法也可以直接應(yīng)用于醫(yī)藥學(xué)研究之中。因此，通過這些實驗，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）通過實驗培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認真、細致謹(jǐn)慎、實事求是的科學(xué)態(tài)度。
高等醫(yī)藥院校中，學(xué)生們進行物理實驗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。只有通過實驗，才能使抽象的概念和深奧的理論變成具體的知識和實際的經(jīng)驗，變?yōu)榻鉀Q實際問題的有力工具。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，還必須到實驗室去進一步學(xué)習(xí)。親自動手，親自體會，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)實際中的物理學(xué)。
二、物理學(xué)實驗的主要環(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驗，并有所收獲，需要掌握一定的方法。這些方法包括：實驗之前必須認真預(yù)習(xí)，實驗過程中應(yīng)該認真操作，實驗之后認真總結(jié)，并提供完整準(zhǔn)確的實驗報告。對這三個主要環(huán)節(jié)的具體要求如下：
1.課前預(yù)習(xí)
預(yù)習(xí)是上好實驗課的基礎(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驗課。預(yù)習(xí)的基本要求是：詳細閱讀實驗指導(dǎo)書，明確實驗?zāi)康模畬嶒炘�，了解實驗方法；對實驗儀器的性能和使用方法有初步認識；明確實驗步驟和注意事項，避免盲目操作、損壞儀器。有些實驗還需要翻閱一些參考書。通過預(yù)習(xí)，應(yīng)對即將做的實驗有一個初步的了解。然后寫好一份預(yù)習(xí)報告（包括實驗?zāi)康�、原理、步驟、電路或光路圖及數(shù)據(jù)表格等）。預(yù)習(xí)報告中的數(shù)據(jù)表格很重要，通常是真正理解了如何做實驗時，才能畫好這個表格。表中要留有余地，以便有估計不到的情況發(fā)生時能夠記錄。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.實驗室中的實驗操作
通過實驗操作，可以對物理現(xiàn)象進行觀察和研究，增強對理論知識的理解，促進實驗技能的提高。實驗操作過程也正是實驗課的主體環(huán)節(jié)。
進入實驗室必須詳細了解并嚴(yán)格遵守實驗室的各項規(guī)章制度。操作前先認識和熟悉實驗所用儀器，并認真檢查，了解儀器的性能和使用方法，按照實驗步驟進行操作。在儀器調(diào)節(jié)時，應(yīng)先粗調(diào)后微調(diào)；讀數(shù)時，應(yīng)先取大量程后取小量程。在涉及安全用電的實驗中，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)報告的表格內(nèi)，再計算出必要的結(jié)果，若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，要增加測量次數(shù)。數(shù)據(jù)記錄必須真實，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)。在實驗過程中要十分注意各種實驗現(xiàn)象。不僅對主要的現(xiàn)象、預(yù)先估計到的現(xiàn)象，做認真觀察、仔細測量、工整記錄；對于一些次要的現(xiàn)象、預(yù)先沒有估計到的現(xiàn)象，也要注意觀察和如實記錄，最好還要進行分析和討論。實驗過程中要保持實驗室的清潔。實驗完成后，應(yīng)整理好儀器設(shè)備，關(guān)好水、電、燃氣等，方可離開實驗室。
3.填寫實驗報告
填寫實驗報告是培養(yǎng)實驗研究人才的重要手段。實驗報告也是實驗全過程的最終總結(jié)。首先要認真細致地對實驗數(shù)據(jù)作出整理和計算，對結(jié)果加以分析，在此基礎(chǔ)上寫出實驗報告。實驗報告應(yīng)當(dāng)真實而全面地記錄實驗條件和實驗過程中得到全部信息。實驗報告應(yīng)包括的內(nèi)容有：實驗題頭（包括實驗題目、實驗日期、時段、實驗操作者及同組人姓名）；實驗器材（包括儀器設(shè)備和實驗材料等，要求寫明儀器設(shè)備名稱、型號、主規(guī)格和編號等，實驗材料的樣品名稱、來源及其編號等）；實驗?zāi)康模ㄒ蠛唵蚊髁说貙懗鰩讞l）；簡明的實驗原理（包括相應(yīng)的原理、公式、算法和實驗方法，儀器設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和測量原理等）；簡要的實驗步驟；實驗數(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)，實驗結(jié)果的計算，誤差的計算等）；結(jié)果分析（必要時繪出圖線）；記錄實驗室的環(huán)境條件，如室溫、氣壓等與實驗有關(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，驗證和建立物理定律和定理通常要對物理量進行正確測量。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，用秒表測量時間，用溫度計測量溫度等。間接測量是由已知的定律、公式間接計算出的待測量。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，實際測量時得到的結(jié)果值稱為測量值。由于測量儀器、實驗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，零點不準(zhǔn)等）、公式和定律本身不夠嚴(yán)密、實驗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，改進測量方法，修正公式和定律，改善實驗條件和糾正不正確習(xí)慣等辦法盡可能加以減少。在通常的實驗室中，實驗條件一旦確定，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，電磁場的干擾，不規(guī)律的機械振動，以及測量者感覺器官的隨機錯覺等偶然因素產(chǎn)生的誤差。誤差偶然的存在使得每次測量值具有偶然性，即每一次測量時產(chǎn)生的誤差大小和正負是不確定的，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，在相同條件下進行多次測量，當(dāng)測量的次數(shù)足夠多時，則正負誤差出現(xiàn)的機會或概率相等�；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，誤差和錯誤是兩個完全不同的概念。錯誤是由實驗者對儀器使用不正確、實驗方法不合理，或者違犯操作規(guī)程、粗心大意讀錯數(shù)據(jù)、運算不準(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。同時為了盡量減少偶然誤差的影響，還需要進行反復(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，其整體服從一定的統(tǒng)計學(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會很少；
（3）由于誤差的偶然性，測量結(jié)果比真值大的機會與比真值小得機會相等，而當(dāng)測量的次數(shù)足夠多時，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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