医学物理学(第2版科学出版社十四五普通高等教育本科规划教材)

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绪论
　　一、物理学的研究对象
　　物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的一门自然科学，是自然科学中最重要的基础学科之一. 它的研究对象十分广泛，包括宇观、宏观和微观世界. 它对科学技术的发展起着至关重要的作用.
　　在所有自然科学中，物理学所研究的物质运动形式，具有最基本、最普遍的性质. 具体说，物理学研究的运动包括：机械运动、分子热运动、电磁运动、原子内部运动、场与物质的相互作用等. 这些运动形式普遍存在于其他高级而复杂的物质运动形式之中. 因此，物理学所研究的规律具有最基本、最普遍的意义，从而使得物理学的知识和理论成为研究其他自然科学不可缺少的基础. 正是由于物理学所研究的物质运动形态和运动规律在各自适用的范围内有其普遍的适用性、统一性和简单性，随着现代科学技术的迅速发展和各门学科之间的相互渗透，形成了许多与物理学直接有关的新兴交叉学科（或前沿学科），如物理化学、天体物理学、生物物理学、生物物理化学、量子化学、生物物理遗传学、医学影像物理学、激光医学、血液流变学、量子生物学、生物医学工程学等. 物理学的每一次重大发现和发明都极大地推动了其他自然科学的发展，促使科学技术和生产技术发生根本性的变革.
　　医学物理学是现代物理学与医学相结合所形成的交叉学科，它的基础知识、基本原理和方法已成为研究医学不可缺少的基础. 现代医学的发展，实际上走的是一条与物理学紧密结合的道路. 因此，物理学必将不断地推动医学向前迅猛发展.
　　二、物理学与医学的关系
　　医学是以人体为研究对象的生命科学. 生命现象属于物质的高级而复杂的运动形式，并且有其自身的运动规律，在生命活动中包含着大量的物理现象和物理过程. 在医学的发展进程中无时无刻不在运用着物理学的理论、方法和技术. 物理学每一新进展无不对医学施以巨大影响，促使医学产生突破性的进步. 显微镜的发明和使用，电子显微镜的出现，以及X射线衍射技术、波谱技术、电泳、色谱等使人类对生命现象的认识逐渐深化，生命科学已经从宏观形态的研究进入到微观机制的探讨，从细胞水平提高到分子水平，从定性分析提高到定量分析. 物理学的发展已经历了三次大的突破，而每次突破都促进了医学的发展，生命科学研究和医疗实践都越来越广泛地采用物理学的技术和方法. 物理学经历第一次大突破时，科学家发明了温度计、压强计、显微镜等仪器，之后这些仪器就在医学中得到了广泛应用并弥补了医学检测手段的不足. 到了物理学发展经历的第二次大突破时，促进医学发展较大的两件事是X射线被发现并很快在医学上应用；另一件是1889年沃勒（Waller）提出的心脏电偶极子模型，为心电图的记录提供了理论基础. 当物理学经历第三次大突破后，量子力学微观理论的建立，又直接促进了核磁共振、激光等新技术的发展，这些技术成果已成为医生们诊断和治疗的得力帮手. 20世纪70年代以后，伴随电子计算机技术的飞速发展和日臻成熟，新技术在医学领域内大显身手，除了X-CT、ECT、MRI、PET这样的大型设备之外，还有微型计算机控制的某些人工器官亦在临床上应用，这些都强有力地促进了医学科学的发展与现代化. 总之，物理学每一次新的理论发现和技术发展都会为医学研究和医疗实践提供新的理论基础和更先进、更方便、更精密的仪器和方法. 与此同时，生物学和医学的不断向前发展，又给物理学提出了新的研究课题. 两者相互促进、相互渗透、共同前进，不断揭示生命现象的本质.
　　综上所述，我们不难看出物理学与医学之间的紧密关系. 物理学的成就促进了医学的发展和进步，同时也促进了医学物理学这门交叉学科的逐渐成熟，医学物理学的发展离不开物理学与医学的结合. 因此，正确认识物理学与医学的关系，端正学习物理学的态度，是学好医学物理学的关键.
　　三、物理学的研究方法及其科学思维
　　学习物理学的研究方法和科学思维，不仅有助于学生对物理学和其他学科的学习和能力的培养，而且可以启发学生积极思考，激发学生的探索和创新意识，培养学生创新精神和科学态度. 各门科学包括物理学在内，其基本任务是认识物质属性，研究物质运动规律，其研究方法都是遵循“实践—理论—实践”的认识法则. 具体说，物理学的研究方法包括观察、实验、假说和理论各个环节. 观察和实验所获得的大量资料是理论的依据. 理论是从几条基本原理出发，说明一定范围内的各种物理现象，还能在一定程度上预言未知现象的存在，指导进一步的实践. 简单地说，物理学的研究方法就是理论联系实践的科学方法.
　　大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献. 有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生理学或医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有很多人具有物理学的背景；这就意味着他们从物理学中汲取了营养和智能，转而在非物理领域里获得了成功. 反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例. 这就是物理学科学思维的价值所在. 物理学知识的高度科学性、逻辑性、系统性和准确性常常以数学形式描述，使得物理学处于现代科学知识的领先地位. 在现代自然科学体系中，物理学形成的科学风格、提供的科学准则，就是人们特别重视物理学的研究方法和科学思维的原因.
　　物理学的研究方法是开发智力和提高能力的途径. 物理学思想能启迪学生创新思维，是培养创造型人才的火种. 对学生而言，学好物理学能够很好地培养和发展自己的认识结构和创新能力.
　　四、物理学与科学发展和技术进步及人才培养
　　物理学的发展已经经历了三次大突破，在17、18世纪，牛顿力学的建立和热力学的发展，不仅有力地推动了其他学科的进展，而且适应了研制蒸汽机和发展机械工业的社会需求，机械能、热能的有效应用引起了第一次工业革命. 到了19世纪，在电磁理论的推动下，人们成功地制造了电机、电器和电信设备，开启了工业电气化，使人类进入了应用电能的时代，这就是第二次工业革命. 20世纪以来，由于相对论和量子力学的建立，人们对原子、原子核结构的认识日益深入. 在此基础上，人们实现了原子核能和人工放射性同位素的利用，促成了半导体、核磁共振、激光、超导、红外遥感、信息技术等新兴技术的发明，许多交叉学科也发展起来了. 新兴工业犹如雨后春笋，现代科学技术正在经历一场伟大的革命，人类进入了原子能、电子计算机、自动化、半导体、激光、空间科学、遗传信息学等高新技术的时代.
　　20世纪以来，物理学一方面向认识的深度迈进，另一方面又向应用的广度发展. 它在发掘新能源、新材料以及革新工艺过程、检测方法等方面，都提供了丰富的实验资料和理论根据；而许多新技术、新工艺的实现，又大大地发展了生产力. 生产技术的发展，反过来也为物理学的进一步研究准备了雄厚的物质条件，形成相辅相成、齐头并进的局面. 物理学与科学技术的关系，已如第三次世界物理学会大会决议所指出：“物理学是我们认识世界的基础 是其他科学和绝大部分技术发展的直接的或不可缺少的基础，物理学曾经是、现在是、将来也是全球技术和经济发展的主要驱动力.”
　　在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现的一系列科学的世界观和方法论，深刻地影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会活动. 从这个角度，我们可以把物理学看作是人类文明发展的基石，它在人才的科学素质培养中具有重要的地位.
　　高等医学院校肩负着培养我国各类高级医疗、卫生专门人才的重任，要使我们培养的医疗、卫生技术人员，能在飞速发展的科学技术面前有所创新、有所前进，对人类做出较大的贡献，就必须加强基础理论特别是物理学的学习. 通过学习能对物质最普遍、最基本的运动形式和规律有比较全面而系统的认识，掌握物理学中的基本概念和基本原理以及研究问题的方法，同时在科学实验能力、计算能力以及创新思维和探索精神等方面受到严格的训练，培养分析问题和解决问题的能力，提高科学素质，努力实现知识、能力、素质的协调发展. 探索未知是人类的天性. 人类正是在不断探索自然世界的过程中，形成和发展了物理学，从而得以修正和完善与我们赖以生存的地球的联系，使人类能在一个与自然更加和谐美好的关系中生存.
　　(王光昶)
　　第一章 力 学 基 础
　　精子游动去寻找卵子力图使其受精；胎儿生产经过产道是一个强烈的挤压过程；新生儿第一声啼哭与婴儿肺扩张和气体充盈的关系；血液流动与生命活动的关系；肌肉骨骼系统与运动和活动的关系；坚硬的钢制人工关节植入人体后可能发生意外断裂；怎样才能够利用相关的力学知识和原理帮助运动不便的残疾人恢复运动能力等，所有这些与力学相关的生命现象和问题中究竟存在怎样的力学知识和规律？
　　力学(mechanics)研究的是物体机械运动(mechanical motion)的客观规律. 机械运动是最基本的运动形式，是其他运动的基础. 因此力学是学习物理学的基础，也是学习生物科学和医学的基础.
　　第一节 物理量及其描述
　　本节在力学范畴内，介绍物理量及国际单位制和量纲.
　　一、物理量
　　物理量是指物理学中量度物体属性或描述物体运动状态及其变化过程的量，它们通过物理定律及其方程建立相互间的关系，它们中有的规定为互相独立的基本物理量，有的是按照物理定义由基本物理量导出的导出量. 在1971年第十四届国际度量衡大会(General Conference of Weights & Measures)上，确定了长度、质量、时间、电流、热力学温度、发光强度和物质的量作为基本物理量；又依据对不同的物理事件进行描述所需不同的物理量，把物理量划分为三类，如下所述.
　　(1) 标量：只有大小没有方向的物理量叫做标量(scalar). 例如，温度、能量、质量等物理量是标量.
　　(2) 矢量：既有大小又有方向，并且只有一个方向的物理量叫做矢量(vector). 例如，速度、加速度、力和动量等物理量是矢量.
　　(3) 张量：既有大小又有方向，并且不只有一个方向的物理量叫做张量(tensor). 人们把张量对应的方向个数叫做张量的阶. 例如，描写材料内部力学性质的应力和应变有两个方向，是二阶张量. 根据物理事件描述的需要，还可以有更高阶的张量.
　　二、单位制与量纲
　　物理学是实验科学，对物理量必须进行测量. 测量需要一个同类的量作为标准，该标准的量就称为单位. 物理量分基本量和导出量两类.
　　1. 国际单位制(SI制)
　　物理学中每一种基本量应有一个基本单位. 曾经采用过不同的单位，如质量和长度曾以克和厘米为基本单位，某些地区还流行过以磅和尺为基本单位，现在规定以千克和米为基本单位. 由于选定的基本量不同或规定的基本单位不同，就形成了不同的单位制，还曾出现过几种单位制并存的情况. 现已普遍采用国际单位制(表1-1)，简称SI制.
　　表1-1 国际单位制规定的七个基本量
　　本书只用国际单位制. 在原子物理中，为了便于描述微观粒子，还常用原子质量单位(u). 原子质量单位是一个12C原子的质量的1/12.
　　1. u=1.660 5402× kg
　　2. 量纲
　　导出量可由基本量导出. 例如，速率的定义是物体运动的路程与所经历的时间之比，即，其中的物理性质是长度，量纲记为L；的物理性质是时间，量纲记为T. 按照速率的定义式有
　　(1-1)
　　这种说明导出量属性的关系式叫做量纲式. 若物理量Q在导出关系上与长度的p次方、质量的q次方和时间的r次方成正比，则Q的量纲式为
　　(1-2)
　　量纲式只给出属性关系，不包含数值关系.
　　从形式上看，量纲式与定义或定律的表示式相同，只是以属性符号代替相应的物理量的符号，并且不计比例常数(没有单位的数). 量纲式的意义在于说明导出量与基本量的属性关系，从而给出导