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绪 论(Introduction)一一. .物理学的内容和学科特点物理学的内容和学科特点二二. .物理学与医学的关系物理学与医学的关系三三. .不断探索生命与自然奥秘不断探索生命与自然奥秘 课程特点课程特点 物理学的分析方法可分为逻辑分物理学的分析方法可分为逻辑分析方法和物理学思维方法两大类析方法和物理学思维方法两大类： 逻辑分析方法逻辑分析方法 (a)分析综合法分析综合法: 分析是把“整体”分解成“部分”；综合是把“部分”结合成“整体”。两者是一种可逆的思维过程，组合成综合分析法。 (b)归纳演绎法归纳演绎法: 归纳是从“个别”到“一般”的认识方法;演绎则是从“一般”到“个别”的认识方法。同样,归纳和演绎是科学认识过程中两个既互相独立又互相依存的思维方法。物理学思维方法物理学思维方法 在物理学的发展进程中，一个个奇迹的创造常在物理学的发展进程中，一个个奇迹的创造常常是科学家独特创造性思维的结果。这里仅简介三常是科学家独特创造性思维的结果。这里仅简介三种常见物理思维方法。种常见物理思维方法。 (a)物理模型物理模型:为研究复杂的物理过程而建为研究复杂的物理过程而建立的、能够抽象反映事物特征和本质的理想系立的、能够抽象反映事物特征和本质的理想系统。统。 在建立物理模型时，需要对复杂事物加以在建立物理模型时，需要对复杂事物加以抽象简化，突出研究对象的主要特征。运用物抽象简化，突出研究对象的主要特征。运用物理模型可以清晰地进行理论推理，从而得出相理模型可以清晰地进行理论推理，从而得出相关的物理规律。在物理学中关的物理规律。在物理学中,质点、刚体、弹质点、刚体、弹性体、弹簧振子、点电荷、绝对黑体以及各种性体、弹簧振子、点电荷、绝对黑体以及各种原子模型等也都是典型的理想模型。原子模型等也都是典型的理想模型。 (b)(b)物理类比物理类比: :利用两种科学定律之间利用两种科学定律之间的相似性，用其中的一个去说明另一个。的相似性，用其中的一个去说明另一个。 物理类比可以沟通不同领域的研究方法，物理类比可以沟通不同领域的研究方法，也可以启发新的物理思想。比如，电力线、磁也可以启发新的物理思想。比如，电力线、磁力线和不可压缩流体流线都是描述场状态的几力线和不可压缩流体流线都是描述场状态的几何描述等等。何描述等等。 (c)(c)物理假说物理假说: :假说是依据一定的科学假说是依据一定的科学理论和事实对研究中的问题提出假定性理论和事实对研究中的问题提出假定性看法和说明。看法和说明。 物理假说是科学认识发展的必要环节，也物理假说是科学认识发展的必要环节，也是科学研究的主要方法。比如，普朗克为解释是科学研究的主要方法。比如，普朗克为解释他与实验结果完全吻合的辐射公式，提出了能他与实验结果完全吻合的辐射公式，提出了能量量子化假说；爱因斯坦为解释光电效应实验量量子化假说；爱因斯坦为解释光电效应实验提出了光量子假说等等。提出了光量子假说等等。3其理论突破将推动其它学科的发展和改变物质世界 物理学与科学技术的关系可分为两种基本物理学与科学技术的关系可分为两种基本模式：模式：一是由于生产实践需要而创建了技术。一是由于生产实践需要而创建了技术。比如比如,从从18世纪至世纪至19世纪的蒸汽机等热机技术和世纪的蒸汽机等热机技术和热力学理论；热力学理论；二是先在实验室里揭示其基本规二是先在实验室里揭示其基本规律，建立起完整的理论，再在实际生产中发展律，建立起完整的理论，再在实际生产中发展成为一种全新的技术。成为一种全新的技术。比如比如,在法拉第发现电磁在法拉第发现电磁感应现象以及麦克斯韦建立电磁场方程组的基感应现象以及麦克斯韦建立电磁场方程组的基础上创建了今天的现代电力工程与无线电技术。础上创建了今天的现代电力工程与无线电技术。因为物理学已经成为现代高科技发展的先导和因为物理学已经成为现代高科技发展的先导和基础，因此基础，因此,在当今世界上第二种模式更为重要。在当今世界上第二种模式更为重要。 另外,蒸汽机、电磁、相对论、超导和钠米技术等都推动其它学科的发展和改变物质世界。特别是相对论甚至对哲学领域产生了重大的影响。 整个二十世纪自然科学的发展趋势就是以数学为工具，以物理学的巨大变革为基础带动其他领域的进步。当今科学技术飞速发展充分证明，科研成果转化为生产力的周期在迅速缩短，知识更新的节奏也在不断加快，而作为知识核心的物理基本理论是长久不衰的。 通过物理学的学习来培养医学生正确的世界观是物理学科的特点之一。二二. . 物理学与医学的关系物理学与医学的关系( (一一) ) 医学的定义医学的定义 以人为研究对象的生物科学。以人为研究对象的生物科学。 研究高级运动形式研究高级运动形式生命现象。生命现象。( (二二) ) 相互联系相互联系 1. 1.学科本质：学科本质：任何一门自然学科都是研究任何一门自然学科都是研究 物质的运动规律物质的运动规律, ,仅有简繁之分。仅有简繁之分。 基本规律基本规律 独特规律独特规律 早期的科学家往往即是物理学家，又是医学家早期的科学家往往即是物理学家，又是医学家 。 伽利略伽利略(15641642)(15641642)是著名的物理学家，但他曾经是著名的物理学家，但他曾经是医学专业的学生。他在大量实验的基础上，揭示了摆是医学专业的学生。他在大量实验的基础上，揭示了摆的周期不变性，推导出了周期和摆长的关系，并将摆用的周期不变性，推导出了周期和摆长的关系，并将摆用于测量人的心率；他还发明了测温计，使干百年来医学于测量人的心率；他还发明了测温计，使干百年来医学上对上对“发烧发烧”的模糊认识有了定量的描述；他是成功地的模糊认识有了定量的描述；他是成功地设计出在现代意义上的显微镜的第一个人。设计出在现代意义上的显微镜的第一个人。 托马斯托马斯. .杨杨(17731829)(17731829)不仅是成功完成杨氏双缝不仅是成功完成杨氏双缝干涉的物理学家，还曾在伦敦正式行医。他用弹性理论干涉的物理学家，还曾在伦敦正式行医。他用弹性理论研究动脉血流中的脉动，用衍射方法测定出细胞和纤维研究动脉血流中的脉动，用衍射方法测定出细胞和纤维的直径，用光学知识研究了人眼的调节作用和散光，并的直径，用光学知识研究了人眼的调节作用和散光，并创立了色觉的三色理论。创立了色觉的三色理论。 泊肃叶泊肃叶(17781869)(17781869)内科医生。在他学习医学专业内科医生。在他学习医学专业时创造了用水银压力计测量狗主动脉血压的方法；而且时创造了用水银压力计测量狗主动脉血压的方法；而且在医学院刚毕业不久，研究了血液在管中的流动规律，在医学院刚毕业不久，研究了血液在管中的流动规律，从而建立了粘滞液体流动的泊肃叶定律。从而建立了粘滞液体流动的泊肃叶定律。2.2.学科发展趋势学科发展趋势 量子物理学量子物理学 + +计算机技术计算机技术 生命之谜生命之谜b.b.交叉边缘学科交叉边缘学科 -生物医学工程（硕士学位授权点）生物医学工程（硕士学位授权点） 医学影像物理学、麻醉物理学、医学医学影像物理学、麻醉物理学、医学电子学、生物医学传感器、生物物理学、电子学、生物医学传感器、生物物理学、激光医学、血液流变学激光医学、血液流变学 生命是一种极其复杂的运动形式。即使像细菌这样最简单的生物也具有复杂结构。生命现象的复杂性，不仅要从微观角度看(即从分子水平上阐明机理)，还需要从宏观规律上加以说明,特别要对控制、调节、自组织、分化、发育、生长、信息处理以及个体与环境间的关系等问题进行研究。 当人们对生命现象的认识达到一定深度的时候，自然地会将医学研究与物理学的理论和思想结合起来，从而导致生命科学从描述宏观形态到探索微观机制，进入对生命现象本质性的研究阶段。 医学物理学是把物理学的原理和医学物理学是把物理学的原理和方法应用于人类疾病的预防、诊断、方法应用于人类疾病的预防、诊断、治疗和保健的一门交叉学科。治疗和保健的一门交叉学科。作为一作为一个独立学科，它形成于二十世纪五十年代，包个独立学科，它形成于二十世纪五十年代，包括放疗物理、影像物理、核医学物理、保健物括放疗物理、影像物理、核医学物理、保健物理、激光和超声物理等子学科。理、激光和超声物理等子学科。 1974年国际医学物理组织（年国际医学物理组织（IOMP）成立，）成立，标志着医学物理学科走向成熟。中国医学物理标志着医学物理学科走向成熟。中国医学物理工作者，于工作者，于1981年成立中国生物工程学会医学年成立中国生物工程学会医学物理分会。物理分会。1986年医学物理分会以中国医学物年医学物理分会以中国医学物理学会的名义加入理学会的名义加入IOMP。2008年硕士研究生招生简章年硕士研究生招生简章 专业代码、名称及研究方向专业代码、名称及研究方向: 107200生物医学工程生物医学工程 4 生物医学信息技术生物医学信息技术医学信号检测及计算机辅助诊断医学信号检测及计算机辅助诊断 (083100生物医学工程生物医学工程08生物医学信息技术生物医学信息技术医学信号检测及处理医学信号检测及处理) 指指 导教导教 师师 : :甘甘 平平 教授教授 考考 试试 科科 目目: 101统考政治201统考英语 306西医综合或609医用数学( (自命考试自命考试) ) ( 301数学一 807计算机基础或808物理学 ( (自命考试自命考试) ) 2009年硕士研究生招生简章年硕士研究生招生简章 009生物医学工程系生物医学工程系 083100生物医学工程生物医学工程 （本专业在工学学科门类进行招生、授位（本专业在工学学科门类进行招生、授位) 06 医学信号检测、图像处理及软件开发医学信号检测、图像处理及软件开发 指指 导教导教 师师 : :甘甘 平平 教教 授授 考考 试试 科科 目目: 101政治理论政治理论 201英语英语 301数学一数学一 804计算机基础计算机基础 ( (自命考试自命考试) ) 人手人手X光片光片人腿胫骨人腿胫骨X光片光片 人头部的人头部的NMR 图片图片 人体不同部位人体不同部位 NMRI的接收的接收线圈和相应的线圈和相应的 NMR 图片图片 神经胶质瘤患者神经胶质瘤患者头部的头部的NMR 图片图片多功能多功能X线摄影系统线摄影系统1多功能多功能X线摄影系统线摄影系统2多功能多功能X线摄影系统线摄影系统2移动式血管造影系统诊断图数字化医用X射线诊疗装置XCT机(Elscint)图片XCT (Elscint)机诊断图GE公司的XCT 采样系统 图像处理系统64排螺旋CT (附一院)美国GE起导1.57磁共振（MRI）(附一院)单光子发射体层成像(SPECT)美国PICKER螺旋CT彩色多普勒超声心动图仪全功能彩色超声显像系统Innova 2000全数字化血管造影机（DSA） 是目前美国通用电气公司（GE）生产的最先进的机型(附二院)，核磁共振(MRI) (附二院)超声按问世时间依次为 A型M型B型多普勒血流成像彩色超声B型超声 放射性核素显像经历点阵扫描、照相、PET和SPECT等。SPECTSPECT PET-CTPET-CT数字化成像数字化成像 数字减影血管造影数字减影血管造影( DSA )( DSA )计算机摄影（计算机摄影（CR CR ）数字化摄影数字化摄影( DR )( DR )图像存储与传输系统（图像存储与传输系统（PACS PACS ）数字减影血管造影数字减影血管造影数字化摄影数字化摄影( DR )( DR )图像存储与传输系统（图像存储与传输系统（PACS PACS ）三三. .不断探索生命与自然奥秘不断探索生命与自然奥秘（一一) )物理学知识是了解生命现象所不物理学知识是了解生命现象所不可缺少的理论基础；可缺少的理论基础；（二（二) )物理学的研究方法和实验技术为物理学的研究方法和实验技术为医学研究的进一步发展开辟了新的医学研究的进一步发展开辟了新的途径。途径。四四. .学习学习步骤步骤 ( (a)a)预习：做到心中有数；预习：做到心中有数； ( (b)b)听课听课: : 做笔记做笔记, ,可能不完全同于教材；可能不完全同于教材； ( (c)c)复习复习: : 及时复习及时复习, ,不能用作业代替；不能用作业代替； ( (d)d)作业作业: : 用单页纸做用单页纸做, ,将进行抽查；将进行抽查； ( (e)e)小结小结: : 提高归纳能力；寻找自己的最提高归纳能力；寻找自己的最 佳学习方法佳学习方法 五五. .课程特点课程特点. .教学目的教学目的： 系统地学习物理学中与医学有关的基系统地学习物理学中与医学有关的基本概念、规律和方法。本概念、规律和方法。. .教学特点：教学特点： 基础课程。运用高等数学对中学物理内基础课程。运用高等数学对中学物理内容进行扩展容进行扩展( (恒量恒量变量变量; ;特例特例实际实际) ) ，重点讲解基本理论，仅提供医学举例重点讲解基本理论，仅提供医学举例。. .教学要求教学要求：（）培养物理学思维和自学能力（）培养物理学思维和自学能力 ( ( 略讲为主）略讲为主）；（）重点理解物理规律且注意公式的使用（）重点理解物理规律且注意公式的使用条件；条件；（）按时完成平时作业（）按时完成平时作业, ,注意自我小结；注意自我小结；（4 4）利用参考文献（计算机网络等）扩展知）利用参考文献（计算机网络等）扩展知识面。识面。 4 4. .选用教材（选用教材（1 1） 4 4. .选用教材（选用教材（2 2） 4 4. .选用教材（选用教材（3 3） 4 4. .参考教材（参考教材（4 4） （1 1）甘甘 平平 主编主编 医用物理学医用物理学( (第二版第二版) ) 科学出版社（科学出版社（2002005.85.8） (2)(2)王鸿儒王鸿儒 王王 照主编物理学（第二版）照主编物理学（第二版） 北京医科大学出版社北京医科大学出版社（3 3）胡新珉主编医学物理学（第五版）胡新珉主编医学物理学（第五版） 人民卫生出版社人民卫生出版社（4 4）张泽宝）张泽宝 主编医学影像物理学主编医学影像物理学 人民卫生出版社人民卫生出版社 5 5. .学时安排学时安排理论学时理论学时：183=54 实验学时：实验学时：9 9 3=27 3=27 第一章第一章人体力学的基础知识人体力学的基础知识 力学是研究物体机械运动规律及其应用力学是研究物体机械运动规律及其应用的科学。力学是医学物理学和其它科学技术的科学。力学是医学物理学和其它科学技术的基础。的基础。 1.牛顿力学（牛顿力学（1-4） 2.近代力学（近代力学（ 16）力学简介力学简介第一章第一章人体力学的基础知识人体力学的基础知识 力学简介力学简介一一. .研究方法研究方法实际实际情况情况理论理论模型模型建立建立理论理论突出重点突出重点 数学方法数学方法附附 加加 条条 件件二二.研究内容研究内容1.牛顿力学牛顿力学（1-4） （条件：宏观（条件：宏观 x h=6.62610-34J/s 低速低速v c=3108m/s )2.近代力学近代力学（ 16） （条件：微观（条件：微观 x h=6.62610-34J/s 高速高速v c=3108m/s ) （1） 量子力学量子力学 （1901 普朗克量子普朗克量子） （2） 相对论力学相对论力学（1905 爱因斯坦）爱因斯坦）牛牛顿顿力力学学质质 点点（大小、形状可略）（大小、形状可略）直、曲线运动直、曲线运动运动学：运动学：动力学：动力学：刚刚 体体运动学：运动学：动力学：动力学：弹性体弹性体 平动平动（同质点）（同质点） 转动转动应变、应力、应变、应力、弹性模量弹性模量理想流体理想流体特例：液体特例：液体表面现象表面现象（ 3）（大小、形状不变）（大小、形状不变）mF. v . r . s.JM1.2（大小、形状可变）（大小、形状可变）弹性力学（弹性力学（1.3）流体力学（流体力学（2）（无形状、无摩擦力）（无形状、无摩擦力）弹簧振子弹簧振子（无摩擦力的谐振动：特殊的往复运动）（无摩擦力的谐振动：特殊的往复运动）振动、波动和声波振动、波动和声波（ 4）第一章第一章人体力学的基础知识人体力学的基础知识 本章将重点介绍在变力的作用下，质点本章将重点介绍在变力的作用下，质点动力学的基本规律、刚体转动的基本规律、动力学的基本规律、刚体转动的基本规律、物体形变和弹性的基本规律。物体形变和弹性的基本规律。第一节第一节 质点力学的基本定律质点力学的基本定律 第二节第二节 刚体力学的基本定律刚体力学的基本定律第三节第三节 弹性力学的基本定律弹性力学的基本定律第一节第一节 质点力学的基本定律质点力学的基本定律 一一. . 单位和量纲单位和量纲 (P1)(P1)( (一一) )单位单位 ( (基本单位基本单位; ;导出单位导出单位) )( (二二) )量纲量纲 ( (定义定义; ;作用作用) )二二. . 质点的平面运动质点的平面运动 ( (对质点力学用高等数学重新定义对质点力学用高等数学重新定义) )( (一一) )参照系参照系( (定义定义) )( (二二) )位置矢量和位移位置矢量和位移( (矢量矢量; ;路程路程标量标量) )( (三三) )平均速度和瞬时速度平均速度和瞬时速度( (变量变量高等数学高等数学1-3)1-3)( (四四) )平均加速度和瞬时加速度平均加速度和瞬时加速度( (变量变量1-4)1-4)( (五五) )法向加速度和切向加速度法向加速度和切向加速度(1-5(1-5) )( (六六) )匀加速直线运动匀加速直线运动( (变量变量高等数学高等数学1-7;8)1-7;8)三三. . 质点动力学的基本定律质点动力学的基本定律 ( (一一) )牛顿运动定律牛顿运动定律(1687(1687年年) )( (二二) )动能定理和机械能守恒定律动能定理和机械能守恒定律( (变力的功变力的功1-12;1-12;功率功率; ;变力的动能定理变力的动能定理1-13;1-13;势势能能; ;质点系的机械能守恒定律质点系的机械能守恒定律) )( (三三) )动量定理和动量守恒定律动量定理和动量守恒定律 (1-18;1-19) (1-18;1-19)第二节第二节 刚体的转动刚体的转动1.1.刚体定义刚体定义( (理论模型理论模型) ) 在外力作用下在外力作用下, ,形状和大小都不变的物体形状和大小都不变的物体. .2.2.运动状态运动状态(平动平动+定轴定轴转动转动) (1)平动平动（同质点的线量）（同质点的线量） (2) 转动转动:特有的性质特有的性质 纯纯转动转动(定轴定轴转动转动)3.3.分析思路分析思路 (图图1-4;5) 刚体刚体 = = 质点质点( (相互位置固定不变相互位置固定不变) )第四节第四节 刚体刚体力学的基本定律力学的基本定律一一. .刚体定轴转动的运动学刚体定轴转动的运动学二二. .转动动能和转动惯量转动动能和转动惯量三三. .刚体定轴的转动定律刚体定轴的转动定律四四. .刚体定轴转动的功和能刚体定轴转动的功和能五五. .角动量守恒定律角动量守恒定律六六. .进动进动一一. .刚体定轴转动的运动学刚体定轴转动的运动学( (P11)P11)1.1.角量的定义角量的定义( (矢量矢量; ;导数导数) )（1 1）角位移）角位移（2 2）角速度）角速度（3 3）角加速度）角加速度2.2.角量与线量的关系角量与线量的关系 （123） （124） （1）角位移（）角位移（angular displacement）： 在在 t时间内，刚体绕转轴转过角度的增量。为矢量，且规定时间内，刚体绕转轴转过角度的增量。为矢量，且规定逆时针方向角位移为正，顺时针方向角位移为负。逆时针方向角位移为正，顺时针方向角位移为负。 )()(ttt 1.角量的定义角量的定义（2）角速度角速度 某一时刻某一时刻t，角位移随时间变化的快慢。角位移随时间变化的快慢。dtd说明说明：角速度和角速度和角加速度同样角加速度同样是矢量，是矢量， 其方向按右手螺旋法则判定。其方向按右手螺旋法则判定。（3）角加速度角加速度 某一时刻某一时刻t，角速度随时间变化的快慢。角速度随时间变化的快慢。22dtddtd2.2.角参量与线参量之间的关系角参量与线参量之间的关系（P12P12） (1)速度条件速度条件:下述关系对圆周运动成立下述关系对圆周运动成立(2)角参量与线参量之间的关系角参量与线参量之间的关系 rarrvarvtn22 rv 作为运动学规律的重要应用，简单回顾匀变速运作为运动学规律的重要应用，简单回顾匀变速运动规律，包括匀变速直线运动和匀变速圆周运动。匀动规律，包括匀变速直线运动和匀变速圆周运动。匀变速运动具有相似的物理规律。变速运动具有相似的物理规律。 （P12；123）例例 :一半径一半径R=1m的飞轮，角坐标的飞轮，角坐标 =2 +12 t- t3 (SI)求：求：(1)飞轮边缘上一点在第飞轮边缘上一点在第1s末的法向加速度和切向加末的法向加速度和切向加速度；速度； (2)经多少时间经多少时间、转几圈飞轮将停止转动？转几圈飞轮将停止转动？ 2312tdtd tdtd6 an=R 2=(12 -3 t2)2 , at=R =-6 t 代入代入t=1s, an=81 2 , at= -6 (SI)(2)停止转动条件：停止转动条件： =12 -3 t2=0, 求出：求出：t=2s。 t=0, 0=2 , 而而 t=2s, 2=18 ， 所以转过角度：所以转过角度： = 2- 0=16 =8圈圈。 解解: (1)本次作业本次作业