作者：章新友,侯俊玲
出版社：中国中医药出版社
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物理学实验试读：
前言
为了全面贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》《关于医教协同深化临床医学人才培养改革的意见》，适应新形势下我国中医药行业高等教育教学改革和中医药人才培养的需要，在国家中医药管理局主持下，由国家中医药管理局教材建设工作委员会办公室、中国中医药出版社组织编写的“全国中医药行业高等教育‘十三五’规划教材”（即“全国高等中医药院校规划教材”第十版）出版后，我们组织原教材编委会编写了与上述规划教材配套的教学用书——习题集和实验指导，目的是使学生对学过的知识进行复习、巩固和强化，以便提升学习效果。
习题集与现行的全国高等中医药院校本科教学大纲一致，与规划教材内容一致。习题覆盖教材的全部知识点，对必须熟悉、掌握的“三基”知识和重点内容以变换题型的方法予以强化。内容编排与相应教材的章、节一致，方便学生同步练习，也便于与教材配套复习。题型与各院校各学科现行考试题型一致，同时注意涵盖国家执业中医师、中西医结合医师资格考试题型。命题要求科学、严谨、规划，注意提高学生分析问题、解决问题的能力，临床课程更重视临床能力的培养。为方便学生全面测试学习效果，每章节后均附有参考答案。
实验指导在全国高等中医药院校本科教学大纲的指导下，结合各高等中医药院校的实验设备和条件，本着求同存异的原则，仅提供基本实验原理、方法与操作指导，相关学科教师可在实际教学活动中结合本校的具体情况，灵活变通，选择相关内容，使学生在掌握本学科基本知识、基本原理的同时，具备一定的实验操作技术和能力。
本套习题集和实验指导供高等中医药院校本科生、成人教育学生、执业医师资格考试人员等与教材配套学习和复习应考使用。请各高等中医药院校广大师生在使用过程中，不断总结经验，提出宝贵的修改意见，以便今后不断修订提高。国家中医药管理局教材建设工作委员会中国中医药出版社2016年9月
编写说明
《物理学实验》是根据全国中医药行业高等教育“十三五”规划教材、全国高等中医药院校规划教材《物理学》教学大纲对物理学实验的教学要求，并参照教育部高等学校医药公共基础课程教学指导委员会自然科学课程教学指导委员会所制定的《医药类专业大学物理实验课程教学基本要求》，为满足全国中医药行业高等教育“十三五”期间中药学类本科专业物理学实验课程教学的需要而编写。本书是在全国中医药行业高等教育“十二五”规划教材、全国高等中医药院校规划教材（第九版）《物理学》的配套教材《物理学实验》的基础上，由全国18所高等中医药院校从事物理学和物理学实验教学，具有多年教学经验和物理学研究的教师联合编写与重新修订的本科教材。该书供全国高等中医药院校中药学、药学、制药工程等本科专业的学生使用，也可供从事物理学实验教学的工作者选用。全书力求反映物理学在中医药领域应用的最新成果，注重培养学生的创新能力和实践能力。共精选了基本测量、刚体转动、流体力学、声学、电磁学和光学等16个物理学实验。每个实验的教学从实验目的、实验器材、仪器描述、实验原理、实验步骤、实验记录、计算结果和注意事项等，都提出了明确的要求。在每个实验中附有“思考题”，供学生课后复习、思考。尤其是对实验数据的处理和分析，以及误差的计算提出了更高的要求。旨在着重培养学生的数据处理、独立思考和创新能力，亦为今后毕业论文和学术论文中的数据处理和分析打下扎实的基础。为使本教材更能适应全国高等中医药院校的实验教学条件，针对全国高等中医药院校仪器设备存在差异的实际情况，书中对每个实验相应地采用了不同的仪器或方法，以便各高校依据自己学校的实验条件选用。书后还附有与物理学实验相关的常数等内容。
本书在编写过程中得到国家中医药管理局教材建设工作委员会、中国中医药出版社和江西中医药大学领导的关心和支持，以及全国各兄弟院校领导和同行的支持与帮助，在此一并表示感谢。由于我们水平有限，加上时间仓促，书中若存有不妥之处，希望广大读者和教师提出宝贵意见，以便再版时修订提高。《物理学实验》编委会2017年12月
绪论
物理学是研究物质运动最基本、最普遍规律的科学，也是现代医学的基础学科之一，它的理论和实验方法被广泛地应用于医药学中，并且正在积极地推动着医药学的发展。物理学又是一门实验科学，其规律的发现和理论的建立，都必须以严格的物理学实验为基础。因此，要掌握现代医学科学知识和技术，就必须具备一定的物理学理论知识、物理实验的方法和技能。在高等医学院校中，“物理学实验”是配合“物理学”而开设的相对独立的一门课程。本课程除了物理学实验所包含的一些基本内容之外，把侧重点放在与医学、生命科学联系较为密切的一些实验上。它与理论课内容相辅相成，既有联系，又相对独立。通过“物理学”课程的学习，使学生能获得在今后的实际工作和医学理论研究中所必需的物理学知识；而“物理学实验”所传授给学生的方法和技能，使他们能运用这些知识去解决医学实践中的某些问题，培养他们解决实际问题的能力，培养他们严谨的科学作风。
一、物理学实验目的和主要环节
（一）物理学实验目的和任务
1.通过实验使学生直接观察物理现象，进一步分析和研究物理现象，探讨其产生的原因及规律，巩固和加深对物理现象及规律的认识。
2.通过实验使学生熟悉仪器的结构性能和操作方法，学习正确地使用仪器，学会对实验数据的科学处理，掌握物理实验的方法，提高实验技能。
3.通过实验培养学生严肃认真、细致谨慎、一丝不苟、实事求是的科学态度，克服困难、坚韧不拔的工作作风。
（二）物理学实验的主要环节
要学好这门课程不但要花气力、下工夫，还要掌握一定的方法。实验之前，必须认真预习，实验过程中应该认真操作，实验之后能够认真总结，并提供完整准确的实验报告。对这三个主要环节的具体要求是：
1.课前预习 课前预习是能否使实验顺利进行的关键。要求做到：详细阅读实验指导书，明确实验目的，弄懂实验原理，了解实验方法；对实验仪器的性能和使用方法有初步认识，明确实验步骤和注意事项，避免盲目操作、损坏仪器；根据实验要求拟定实验方案和步骤，设计实验数据记录表格。
2.课堂实验操作 通过实验操作，对物理现象进行观察和研究，增强对理论知识的理解，促进实验技能的提高。要求做到：了解和遵守实验室的规章制度；操作前先认识和熟悉实验所用仪器，并认真检查，了解仪器的性能和使用方法；按照实验步骤进行操作，并认真进行观察；将测量数据填写在事先准备好的表格内，计算出必要的结果，出现异常数据时，要增加测量次数；实验完毕，整理仪器，保持实验室的清洁。
3.出具实验报告 实验报告是进行实验的最终总结。要认真细致地对实验数据作出整理和计算，对结果加以分析，在此基础上写出实验报告。实验报告要求有以下几方面的内容：
①实验题目；
②实验目的；
③实验器材；
④简明的实验原理；
⑤简要的实验步骤；
⑥实验数据及其处理（所测量数据，实验结果的计算，误差的计算）；
⑦结果分析，必要时绘出图线；
⑧记录实验时的环境条件，如室温、气压等；
⑨讨论总结，回答相关问题。
二、误差理论
（一）测量的误差及误差的计算
1.物理量的测量与测量误差 在物理实验过程中，不仅要对物理现象的变化过程作定性的观察，而且还要对一系列物理量进行定量的测定，从而探索寻找物理量之间的关系，从这个意义上来说，物理实验首先碰到的就是测量问题。测量某一物理量，实际上就是用一个确定标准单位的物理量和待测的未知量进行比较，所得的倍数就是该未知量的测量值。
测量方法可分为直接测量和间接测量。直接测量是将待测量与标准量作比较而直接得出结果的测量。例如，用米尺测量长度，用秒表测量时间等，就属于这一类，都是用基本测量仪器就可直接测出结果的。间接测量是依靠直接测量的结果，再经过物理公式的计算，才能得出的物理量。例如，要测量圆柱体的体积，首先要测量其直径和高度，然后再用公式计算才能得出结果。大多数测量都属于这一类。0
测量的目的是力图得到真值X。所谓真值，就是反映物质自身各种特性的物理量所具有的客观真实数值。严格来讲，由于仪器精度、测量方法、测量程序、实验环境、实验者的观察力等原因，测量都不0可能绝对准确。这就导致了所测得的值X与真值X之间有一个差值0ΔX=X-X。这个ΔX就是误差。
在测量中，误差总是存在的，同时又是可以而且应当努力降低的。
误差来源的分析、误差大小的估算对实验工作十分重要，它将直接影响到测量水平的高低。
2.测量误差的分类 任何一个物理量的测量都不可避免地存在误差。根据误差产生的性质及导致误差产生的原因，我们可以把它分为系统误差、偶然误差和过失误差。（1）系统误差 系统误差是由于测量理论本身不严密、测量方法不尽完善、测量设备的缺陷、周围环境（温度、湿度、气压、电磁场等）变化的影响或测量者自身的习惯等因素所引起的误差。例如，测物体的重量时没有考虑到空气浮力的影响，测时间时秒表走时不准确，测高度时尺子没调到铅直，测量者读数时习惯于将头侧偏等等。系统误差的特点是测得的数值总是朝一个方向偏离，或总是偏大，或总是偏小。其特征是偏离的确定性，增加测量次数也不能有所改善。但如果根据其产生原因分别加以校正，例如，修正仪器、改进测量方法、对影响实验的有关因素加以周密考虑等，系统误差是能够尽量减小或消除的。
系统误差的发现是比较困难的，它需要测量者有较为丰富的实践经验和一定的理论知识。从实验方法的角度上考虑，可以采取扩大实验范围，即用不同的实验方法或同一种方法改变实验条件，对测量过程进行细致的观察、对比，分析各种实验手段或各种状态下所测到的结果，找出它们之间的差异等，这些将有助于进一步分析产生系统误差的因素，并尽可能将其降低到最低程度。（2）偶然误差 偶然误差亦称随机误差，是由一些无法控制，纯属偶然的因素所引起的误差。例如测量者感官分辨能力的限制、电压的不稳定、温度的不均匀、仪表设备受震动等偶然因素。其发生纯属偶然，其大小和分布受或然率支配。由于这类偶然性无法消除，所以偶然误差是不可避免的。然而偶然误差有一个特征：各次测量的误差是随机出现的，时而偏大，时而偏小，时正时负，方向不一定，但从统计意义上讲，在重复多次测量过程中，出现测量值偏离真值的大小与偏离方向的机会是均等的，而且随着测量次数的增多，这一规律表现得愈为明显。正是由于这一点，在客观上要求我们对待测物体进行尽可能多的重复测量。将重复测量所得到的一系列测量值经过适当的数据处理之后，就可能使偶然误差大大降低。即：减小偶然误差发生的方法，是进行多次重复测量后进行误差处理。（3）过失误差 过失误差是人为的误差，实验者的粗心大意、实验方法的不当、使用仪器不准确、读错数据、数据记录的笔误等，均可造成过失误差。因此，实验者必须要有严肃认真的态度，实事求是和一丝不苟的科学作风，以避免过失误差。
3.测量结果的表示（1）测量结果的最佳值（近真值）
①算术平均值。对某一物理量在相同条件下进行k次测量，各次123k结果分别为X、X、X、…、X，则它们的算术平均值为
根据偶然误差的抵偿性，随着测量次数的无限增加，偶然误差的算术平均值趋近于零，那么此测量值的算术平均值也将趋近于真值。这个算术平均值可认为是被测物理量的最佳值或近真值。为了减小偶然误差，在可能的情况下，总是采用多次测量，并将其算术平均值作为被测物理量的真值。
②我们还经常遇到一些被测量已经有公认值（或理论值），这时，可用公认值（或理论值）作为真值。
③在实验中，由于条件限制使测量不能重复，或者对测量准确度要求不高等原因，而对一个物理量只进行一次直接测量，这时就以这一次测量值作为近真值。（2）绝对误差和相对误差 测量值与真值之差是以误差的绝对值来表示测量的误差，它反映测量值偏离真值的大小，具有和测量值相同的单位，通常称为绝对误差。本书所涉及的算术平均误差、标准误差都是指绝对误差。
绝对误差与真值的比值定义为相对误差，相对误差通常用百分率来表示，记做E，即：（3）测量结果的表示 通常把测量结果表示为以下形式：
这样测量的结果及测量误差就完整地表示了。
4.测量误差（绝对误差）的处理方法（1）直接测量值的误差 直接测量值的误差常用以下几种方法表示：i
①算术平均误差（平均绝对误差）：各次测量值X与算术平均值差值的绝对值反映了各次测量的误差，我们把它叫作各次测量的绝对误差。各次测量的绝对误差的平均值定义为算术平均误差：
因为它是以误差的平均值表示测量值的绝对误差，故又称为平均绝对误差，它表明被测物理量的平均值的误差范围，也就是说，被测物理量的值的大部分在和之间，因而测量结果应表示为i
②标准误差：求各次测量值X与算术平均值的差，再取其平方的平均值，然后开方，称为标准误差，记作σ，即
标准误差在正式的误差分析和计算中，常作为偶然误差大小的量度。被测物理量的结果可表示为
对只进行一次直接测量的物理量，其误差可根据实际情况进行合理的估算。通常可按仪器上标明的仪器误差作为单次测量的误差。如果没有注明，可取仪器最小刻度的一半作为单次测量的绝对误差。
当被测量已经有公认值（或理论值）时，绝对误差就取我们所得到的测量值与公认值（或理论值）之差的平均绝对值。（2）间接测量值的误差 在物理学实验中，大多数测量是间接测量。被测量值是由多个直接测量值通过一定的函数计算得出的结果。例如，要测一个均匀小球的密度ρ，先用游标卡尺测出它的直径d，利用体积公式算出其体积，再用托盘天平测出它的质量m，根据密度公式求得其密度直接测量值d、m的误差必然对间接测量值ρ的误差有所影响，这一问题可应用误差传递公式来进行处理。
设A、B为直接测量值，其测量值可表示为。X为间接测量值，X=f（A，B）。那么，间接测量误差结果的表示如下：
①和的误差
若
则
于是算术平均值为
平均绝对误差为
相对误差为
②差的误差
若
则
于是算术平均值为
考虑到可能产生的最大误差，差的平均绝对误差为
相对误差为
由此可见，和差运算中的平均绝对误差，等于各直接测量值的平均绝对误差之和。
③积的误差
若
则
于是得算术平均值为
略去带有因子的项（因其值较小），考虑到可能产生的最大误差，则平均绝对误差为
相对误差为
④商的误差
若
则
略去带有因子的项，考虑到可能产生的最大误差，则算术平均值为
平均绝对误差为
相对误差为
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]