医用物理学实验

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出版者:浙江大学出版社
作者:曾碧新
出品人:
页数:93
译者:
出版时间:2005-6
价格:13.50元
装帧:简裝本
isbn号码:9787308042581
丛书系列:
图书标签:
  • 医用物理学
  • 医学物理
  • 物理实验
  • 医学实验
  • 医疗器械
  • 放射物理
  • 生物物理
  • 医学影像
  • 剂量学
  • 实验教学
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具体描述

本教材是依据医用物理学实验教学大纲和作者长期的医用物理学实验教学实践编写的,是作者长期从事医用物理学实验教学经验的总结。本教材除了介绍力学、热学、声学、电磁学、光学和近代物理实验外,还根据医学院校专业的特点,增加了包括人耳听阈曲线测定、脉搏频率与波形测定、角膜曲率半径测定等医用物理量测定的实验。适用:高等医药院校五年制和七年制临床、基础、口腔、预防、医学检验、卫生检验、护理、麻醉、影像、药学等专业使用,也可供医药院校其他专业和生命科学有关专业使用。

磁场与电磁感应的奥秘:现代工程应用中的基础原理 本书聚焦于电磁现象的微观机制及其宏观工程应用,旨在深入剖析磁场的基本性质、电磁感应定律的定量描述,并结合实际工程案例,展示这些基础物理原理如何驱动现代技术的发展。全书内容不涉及医学应用或任何与“医用物理学”直接相关的实验内容。 --- 第一章:静态磁场的精确描述与测量 本章将严格遵循麦克斯韦方程组的静态形式,对磁场进行数学构建。我们从毕奥-萨伐尔定律出发,详细推导了不同电流分布(如无限长导线、有限长导线、圆形线圈、螺线管)产生的磁场强度$mathbf{B}$的精确表达式。重点在于向量场的叠加原理及其在复杂几何结构下的应用。 1.1 磁荷的假想与安培定律的建立: 尽管磁单极子尚未被实验证实,但通过类比电场的高斯定律,我们引入磁感应强度的概念,并阐述安培环路定律作为描述稳定电流源磁场的强大工具。本节将详细讨论在高度对称情况下(如直线电流、无限长螺线管)如何利用安培定律简化磁场计算,并严格区分理想情况与真实情况下的误差来源。 1.2 磁矢量位与磁标势: 针对非稳恒电流或需要简化三维计算的场景,本章引入磁矢量位 $mathbf{A}$ 的概念。通过定义 $mathbf{B} = abla imes mathbf{A}$,我们将一个三维的矢量场问题转化为一个泊松方程或拉普拉斯方程,极大地简化了特定边界条件下的求解难度。同时,对于无源区(无电流分布),我们将探讨磁标势 $phi_m$ 的应用及其与磁矢量位的关系。 1.3 物质的磁化特性: 深入探讨磁性材料的微观结构。详细分析磁介质在外磁场中表现出的三种基本响应:抗磁性、顺磁性和铁磁性。对磁化强度 $mathbf{M}$、磁感应强度 $mathbf{B}$ 和磁场强度 $mathbf{H}$ 之间的本构关系进行量化描述,引入相对磁导率 $mu_r$ 和磁化率 $chi_m$。特别是,我们将耗费大量篇幅讨论铁磁材料的磁滞回线,分析剩磁、矫顽力以及磁畴结构对材料宏观磁性能的影响,为设计高性能电磁铁和变压器奠定理论基础。 1.4 实验技术:磁场测量与校准: 介绍现代精密磁场测量仪器,如霍尔效应传感器、磁通计和SQUID(超导量子干涉器件)。重点讨论如何利用这些工具进行磁场梯度测量和磁场空间分布的非接触式成像,这些技术在无损检测和精密磁屏蔽设计中至关重要。 --- 第二章:电磁感应定律与时变场分析 本章是理解电磁能量转换和电磁兼容性的核心。我们从法拉第的实验观察出发,构建了精确的电磁感应定律,并将其纳入完整的麦克斯韦方程组框架。 2.1 法拉第电磁感应定律的数学表达: 严格阐述感应电动势 $mathcal{E}$ 与穿过回路的磁通量变化率之间的定量关系:$mathcal{E} = -frac{dPhi_B}{dt}$。本节将区分两种情况下的感应电动势产生机制:一是回路面积或方向变化导致的动生电动势,二是磁场本身随时间变化(即 $frac{partial mathbf{B}}{partial t}$ 项)导致的感生电动势。通过对洛伦兹力的积分,我们能从第一性原理推导出该定律。 2.2 涡流现象及其对导体内部的影响: 涡流是时变磁场在导体内部感应出的集肤效应(Skin Effect)的微观体现。本章将分析涡流在厚导体中的分布模式,推导出集肤深度 $delta$ 的公式,并讨论频率对电流分布的影响。在交流电输电和感应加热设备中,理解并抑制或利用涡流效应是关键的设计环节。 2.3 麦克斯韦方程组的完备性与电磁波的预言: 在本章末尾,我们将整合静电学、静磁学和法拉第定律,并引入麦克斯韦修正的安培定律(位移电流项 $epsilon_0 frac{partial mathbf{E}}{partial t}$)。通过对完备的麦克斯韦方程组进行数学操作,本章将推导出自由空间中电磁场的波动方程,从而预言了电磁波的存在及其传播速度与光速的必然联系。 --- 第三章:电感元件的分析与应用 本章将电磁感应原理转化为具体的电路元件——电感器(Inductor)的理论模型和实际应用。 3.1 自感与互感: 定义自感 $L$ 和互感 $M$ 的概念。推导单个线圈的自感计算方法,重点分析螺线管和环形线圈(如环形磁芯)在不同磁芯材料下的电感值。随后,深入讨论两个相邻线圈之间的互感现象,以及互感系数 $k$ 的计算,特别关注磁通耦合的效率。 3.2 储能与能量密度: 分析电感器在线圈中储存的磁能 $W_m = frac{1}{2} L I^2$ 的来源,并从场论角度推导磁能密度 $u_m = frac{1}{2mu} B^2$。通过能量守恒的角度解释电感器在电路中对电流变化的“抵抗”作用。 3.3 实际电感器的非理想模型: 讨论实际电感器中电阻(导线损耗)、寄生电容(线圈匝间耦合)以及磁芯损耗(磁滞和涡流损耗)对理想 $L$ 值的影响。建立包含串联电阻 $R$ 和并联电容 $C$ 的高频等效电路模型,这是分析射频电路(RF Circuit)性能的基础。 3.4 电感在滤波器和储能系统中的应用: 介绍电感器在线性电路分析(如 $RL$ 暂态响应、$LC$ 振荡电路)中的核心地位。深入探讨其在电源管理系统(如DC-DC 升压/降压变换器)中的关键作用——作为储能元件实现电压和电流的稳定输出。 --- 第四章:电磁场的计算方法与数值模拟 本章侧重于处理解析解难以获得的复杂几何和边界条件下的电磁场问题,介绍现代工程计算工具的基础理论。 4.1 边值问题的数学形式: 将静磁场和静电场问题归结为特定的拉普拉斯方程或泊松方程,并明确提出狄利克雷(Dirichlet)和诺依曼(Neumann)边界条件的物理意义。 4.2 有限元法(FEM)的基本原理: 详细介绍将连续场域离散化为有限个单元(如三角形或四面体)的思想。阐述如何将偏微分方程转化为代数方程组,并讨论插值函数、刚度矩阵的构建过程,以及边界条件在离散化中的实施方法。本节将提供一个二十分量电磁场问题的简化求解流程图。 4.3 边界元法(BEM)的优势与局限: 相较于FEM,BEM仅需对边界进行离散化,特别适用于求解外部场问题或包含非均匀介质的分层结构。分析其在处理无限大空间电磁散射问题时的计算效率和数值稳定性。 4.4 时域有限差分法(FDTD): 重点介绍Yee格方法,这是求解时变电磁场(如电磁波传播、天线辐射)最直接的时域方法。阐述如何通过交错网格实现空间和时间的中心差分近似,以满足麦克斯韦方程组的守恒律。 通过以上四个章节的系统学习,读者将全面掌握电磁场理论从基础定律到复杂工程计算的完整知识体系,为设计和分析各类电磁设备、高频电路和电磁兼容系统打下坚实基础。本书内容严格聚焦于电磁学和工程物理的交叉领域,不包含任何与生命科学、生物效应或医疗器械相关的任何实验或理论讨论。

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这本书最让我感到“物超所值”的,是它在**理论深度和实际操作难度之间找到的那个黄金分割点**。很多教材要么过于偏向纯理论的数学推导,让动手能力强的学生感到枯燥;要么就是简单地罗列操作步骤,让理论基础薄弱的学生不知所云。但这本《医用物理学实验》明显是为**未来需要深度参与医疗器械研发或高精尖影像诊断**的学生量身定制的。它在讲解**生物电势和膜电位**时,不满足于简单的能斯特方程应用,而是深入探讨了**离子通道动力学对神经冲动的传递影响**,并将此与临床上常用的**神经传导速度测定实验**紧密结合。我特别欣赏的是,它没有回避那些具有争议性的或者正在快速发展的领域,比如**分子影像技术中的物理基础**,它用一种非常平实的语言,介绍了PET成像的物理衰变过程以及如何通过反卷积算法重建图像,这对于我们未来接触尖端医疗技术绝对是**知识储备的提前布局**。

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这本《医用物理学实验》的**内容广度与深度简直让人惊叹**!我原本以为这只是一本枯燥的理论知识堆砌,没想到它竟然能将那些晦涩难懂的物理学原理,通过生动的实验设计,完美地转化为临床医学中的实际应用。举个例子,书中关于**电磁辐射在医学影像中的应用**那几个章节,讲解得极其透彻。它不仅详细描述了X射线、核磁共振(MRI)的工作机制,还细致地分析了不同成像技术在诊断特定疾病时的优劣势和操作规范。更让我印象深刻的是,作者似乎对读者的“痛点”了如指掌,在每一个实验步骤后,都紧跟着一个“临床意义”的剖析,让你瞬间明白“我学这个到底有什么用”。比如,讲解电离辐射剂量计算时,书里穿插了**辐射防护的最新国际标准**,这对于我们这些未来需要在临床环境中直接接触设备的医学生来说,简直是教科书级别的安全指南。这种理论与实践无缝衔接的编排方式,极大地提升了学习的主动性和兴趣,让原本枯燥的物理实验课,变成了一场探索生命奥秘的侦探之旅。我感觉读完这书,我对“物理学在救死扶伤中扮演的角色”有了全新的、宏大的认知。

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作为一名对实验数据分析特别敏感的学生,我对本书在**数据处理与误差分析**部分给予满分评价。在现今的医学科研和临床实践中,对数据可靠性的判断能力与实验本身同等重要。这本书没有敷衍了事地教我们计算标准差,而是深入讲解了**系统误差与随机误差的来源识别**,特别是针对医学信号采集中常见的**环境噪声干扰**如何通过傅里叶变换进行初步分离。书中专门辟出了一章讨论**“测量结果的统计学有效性”**,结合了大量的实际实验数据示例,教我们如何撰写一份既符合科学规范又具备临床说服力的实验报告。例如,在处理光吸收度测量实验时,它不仅展示了如何使用最小二乘法进行拟合,还明确指出了在**朗伯-比尔定律失效区间**(高浓度或特定波长下)如何调整模型或实验方法。这种对**科学严谨性的内在要求**,远超出了基础实验教学的范畴,它是在培养我们成为一个有批判性思维的未来医疗工作者。

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这本书的**排版和图文处理方式**实在是太良心了,完全不像某些传统教材那样只有密密麻麻的文字和模糊不清的黑白图示。首先,**色彩的运用非常到位**,高亮显示关键公式和实验步骤,使得重点一目了然。其次,所有的实验装置示意图,无论是**光学器件的布局还是电路连接图**,都采用了高清的3D渲染图,细节丰富到仿佛我可以直接上手操作一般。特别是涉及到**声学和超声波的实验部分**,作者特地加入了不同组织界面处的声波反射和折射的动态示意图(虽然只是静态的图,但视觉效果非常逼真),这对于理解超声诊断中的伪影是如何产生的,提供了极大的帮助。我对比了其他几本同类教材,这本《医用物理学实验》在**信息可视化**这一块绝对是佼佼者。它不仅“教你做什么”,更“教你如何看懂结果”,许多关键的波形图和谱线分析,都配有非常详细的注释和对比案例,让人在阅读过程中几乎没有产生任何“这是什么?”的困惑。

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我必须着重表扬一下本书在**实验设计上的创新性与严谨性**的完美平衡。很多医用物理实验,如果按照传统的高中物理模式来做,耗时长、成本高、危险性也大。然而,这本书巧妙地引入了许多**虚拟仿真和低成本替代方案**。例如,在讲解心电图(ECG)的导联原理时,它提供的不是搭建一个复杂的生物电信号采集系统,而是提供了一个**基于开源软件的模拟器操作指南**,让我们可以通过调节参数来观察不同胸导联下波形的细微变化。这种“理论基础+现代技术辅助”的教学思路,极大地解放了实验课的条件限制。同时,对于必须进行实物操作的实验,例如**激光在生物组织中的光热效应**,书中的安全警示和操作流程被设计得如同**航空手册**一般细致入微,每一个环节的参数设置都有明确的误差范围和应对措施。这种对细节的极致追求,体现了作者对实验教学安全性和有效性的高度负责。

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