醫學物理學（簡體書）

本書共十六章，包括力學基礎、物體的彈性與形變、流體的運動、機械振動和機械波及聲波、分子動理論、熱力學基礎、靜電場、直流電、磁場與電磁感應、波動光學、幾何光學、量子力學基礎、X射線、原子核和放射性、激光及其醫學應用以及磁共振成像.全書依據現代醫學對物理學的基本要求，並結合多年的教學實踐經驗編寫而成.在編寫內容上以案例為引導，緊密結合醫學，以突出物理學在醫學上的應用為特點，充分考慮到教材的實用性、科學性、先進性和前沿性；重點闡述物理學的基本思想、概念、原理和方法，加強基礎理論和基本知識在醫學上的應用；讓學生在學習的過程中真正體會到學有所用，更有利於學生自主學習.為增加本書的可讀性，還在每章末安排了閱讀材料，介紹物理、醫學、生命科學等諾貝爾獎獲得者的成長經歷及重大理論發現的經過，或與正文內容相關的新概念、新方法及新技術的應用等，有助於學生樹立正確的科學發展觀，培養創新思維，提高綜合素質及分析問題、解決實際問題的能力.

目錄
前言
緒論 1
一、物理學的研究對象 1
二、物理學與醫學的關係 1
三、物理學的研究方法及其科學思維 2
四、物理學與科學發展和技術進步及人才培養 2
第一章 力學基礎 4
第一節 物理量及其描述 4
一、物理量 4
二、單位制與量綱 4
第二節 運動的描述 5
一、位置矢量和位移 6
二、速度 7
三、加速度 8
第三節 運動的基本定律 10
一、牛頓運動定律 10
二、衝量動量定理 11
三、功和能 13
第四節 剛體的定軸轉動 16
一、定軸轉動的運動學 16
二、轉動動能轉動慣量 17
三、力矩轉動定律 20
四、角動量角動量守恆定律 21
五、旋進 22
第五節 轉動慣量在醫學領域中的應用 23
思考題與習題 24
閱讀材料 25
第二章 物體的彈性與形變 28
第一節 應力和應變 28
一、應力 28
二、應變 29
第二節 材料的彈性 29
一、彈性和塑性 29
二、彈性模量 31
三、彎曲 32
四、扭轉 33
第三節 物體的形變和彈性勢能 34
第四節 彈性腔的力學問題 34
一、球形彈性腔的力學問題 35
二、管形彈性腔的力學問題 35
第五節 骨與肌肉的生物力學特性 36
一、骨骼的力學性質 36
二、肌肉的力學特性 40
思考題與習題二 41
閱讀材料 42
第三章 流體的運動 44
第一節 理想流體的流動 44
一、理想流體 44
二、穩定流動 44
三、連續性方程 45
第二節 伯努利方程 46
一、伯努利方程 46
二、伯努利方程的應用 48
第三節 黏性流體的流動 52
一、層流和湍流 52
二、牛頓黏滯定律 53
三、雷諾數 55
第四節 黏性流體的流動規律 55
一、黏性流體的伯努利方程 55
二、泊肅葉定律 56
三、斯托克斯定律 58
第五節 血流動力學基礎 58
一、人體血液循環系統中的血流特點 58
二、血液流變學檢測儀器及其醫學應用 62
思考題與習題三 65
閱讀材料 66
第四章 機械振動和機械波聲波 68
第一節 簡諧振動 68
一、筒諧振動方程 68
二、簡諧振動的特徵量 69
三、簡諧振動的矢量圖示法 70
四、簡諧振動的能量 71
第二節 阻尼振動受迫振動和共振 73
一、阻尼振動 73
二、受迫振動和共振 75
第三節 簡諧振動的合成與分解 76
一、兩個同方向、同頻率簡諧振動的合成 77
二、同方向、不同頻率的簡諧振動的合成 78
三、頻譜分析 80
四、兩個同頻率、互相垂直的簡諧振動的合成 81
第四節 機械波 83
一、機械波的產生 83
二、波面和波線 84
三、簡諧波的波動方程 84
四、波的能量 87
五、波的強度 88
六、波的衰減 88
第五節 波的干涉 90
一、惠更斯原理波的衍射 90
二、波的疊加原理 91
三、波的干涉 91
四、駐波及半波損失 93
第六節 聲波 96
一、聲壓、聲阻和聲強 96
二、聲波的反射和透射 98
三、聲強級和響度級 99
四、多普勒效應 101
第七節 超聲波 104
一、超聲波的特性 104
二、超聲波在介質中的作用 105
第八節 超聲技術及其醫學應用 106
一、超聲波的產生與探測 106
二、醫學超聲儀的分辨力 107
三、超聲掃描儀及其醫學應用 108
思考題與習題四 112
閱讀材料 114
第五章 分子動理論 116
第一節 物質的微觀結構 116
第二節 理想氣體分子動理論 117
一、理想氣體狀態方程 117
二、理想氣體微觀模型 118
三、理想氣體的壓強公式 119
四、理想氣體的能量公式和能量均分原理 121
五、理想氣體定律的推導 123
第三節 生物膜的輸運 125
一、生物膜的通透性 125
二、氣體的透膜擴散 125
三、帶電粒子的擴散 126
四、溶液中的滲透 126
第四節 液體的表面現象 127
一、表面張力和表面能 127
二、曲面下的附加壓強 130
三、毛細現象和氣體栓塞 133
四、表面活性物質與表面吸附 135
第五節 毛細現象和氣體栓塞的醫學應用 137
思考題與習題五 137
閱讀材料 138
第六章 熱力學基礎 140
第一節 熱力學第一定律 140
一、熱力學的基本概念 140
二、熱力學第一定律 143
第二節 熱力學第一定律的應用 144
一、等體過程 144
二、等壓過程 144
三、等溫過程 145
四、絕熱過程 146
第三節 循環過程卡諾循環 148
一、循環過程和熱機效率 148
二、卡諾循環及其效率 150
第四節 熱力學第二定律 152
一、熱力學第二定律 152
二、可逆過程和不可逆過程 153
三、熱力學第二定律的統計意義和適用範圍 153
第五節 熵與熵增加原理 155
一、克勞修斯等式 155
二、熵的概念 156
三、熵增加原理與能量退降 157
第六節 生物熱力學 160
一、人體代謝過程中的能量轉換 160
二、生物系統熱力學 162
第七節 熱效應的醫學應用 162
一、制熱效應的醫學應用 162
二、製冷效應的醫學應用 163
思考題與習題六 164
閱讀材料 165
第七章 靜電場 168
第一節 電場和電場強度 168
一、電荷和庫侖定律 168
二、電場強度 169
第二節 高斯定理 172
一、電場線和電通量 172
二、高斯定理 174
三、高斯定理的應用 176
第三節 電勢和電勢梯度 178
一、靜電場力做功 178
二、電勢 180
三、電勢梯度 183
第四節 電偶極子與電偶層 185
一、電偶極子 185
二、電偶層 187
第五節 電場的生物學效應 188
一、靜電場對種子萌發的生物學效應 189
二、靜電場對植物癒傷組織誘導和增殖的影響 190
三、靜電場對植物光合器官和功能的影響 190
第六節 生物電現象及其醫學應用 191
一、細胞膜電勢及神經傳導的電學原理 191
二、心電圖的形成 198
思考題與習題七 200
閱讀材料 202
第八章 直流電 203
第一節 電流和電流密度 203
一、電流電流密度 203
二、歐姆定律的微分形式 205
三、電解質的導電性 207
四、含源電路的歐姆定律 208
第二節 基爾霍夫定律 210
一、基爾霍夫第一定律 211
二、基爾霍夫第二定律 211
三、基爾霍夫定律的應用 212
第三節 電容器的充放電過程 213
一、RC電路的充電過程 214
二、RC電路的放電過程 215
第四節 生物膜電勢 216
一、能斯特方程和靜息電勢 216
二、動作電勢和神經傳導 218
第五節 電流對人體的作用 221
一、人體的導電性 221
二、電流對人體的作用 222
三、電療 224
思考題與習題八 225
閱讀材料 226
第九章 磁場與電磁感應 228
第一節 磁場磁感應強度 228
一、磁場 228
二、磁感應強度 228
第二節 磁場對運動電荷和電流的作用 229
一、洛倫茲力 229
二、霍爾效應 230
三、磁場對載流導線的作用磁矩 232
第三節 電流的磁場 234
一、畢奧-薩伐爾定律 234
二、畢奧-薩伐爾定律的應用 235
三、安培環路定理 238
第四節 電磁感應 240
一、磁通量 240
二、電磁感應定律 241
三、動生電動勢 242
四、感生電動勢渦旋電場 242
五、自感現象 243
第五節 電磁振盪和電磁波 244
一、電磁振盪 244
二、電磁波 246
第六節 磁場的生物效應及磁效應的醫學應用 248
一、生物磁現象及醫學應用 248
二、磁場的生物效應及磁效應的醫學應用 249
三、磁效應的醫學應用 250
思考題與習題九 251
閱讀材料 252
第十章 波動光學 255
第一節 光的干涉 255
一、光的相干性 255
二、光程和光程差 256
三、楊氏雙縫干涉 257
四、勞埃德鏡實驗 259
五、薄膜干涉 260
第二節 光的衍射 266
一、單縫衍射 266
二、圓孔衍射 269
三、光柵衍射 269
第三節 光的偏振 271
一、自然光和偏振光 271
二、馬呂斯定律 274
三、布儒斯特定律 275
四、光的雙折射 276
第四節 旋光現象 277
第五節 波動光學的應用 278
一、偏振光技術的應用 278
二、液晶的光學特性 278
思考題與習題十 279
閱讀材料 280
第十一章 幾何光學 282
第一節 球面折射 282
一、單球面折射 282
二、共軸球面系統 285
第二節 透鏡 286
一、薄透鏡 286
二、薄透鏡組合 288
三、厚透鏡 289
四、柱面透鏡 291
五、透鏡的像差 291
第三節 眼睛的光學系統 293
一、眼睛的光學結構 293
二、眼睛的光學系統 294
三、眼睛的調節 295
四、眼睛的分辨本領及視力 295
五、眼睛的屈光不正及其矯正 297
第四節 幾種醫用光學儀器的原理及應用 300
一、放大鏡 300
二、光學顯微鏡 301
三、檢眼鏡與纖鏡 305
四、幾種特殊的顯微鏡 307
思考題與習題十 312
閱讀材料 312
醫學物理學
第十二章 量子力學基礎 314
第一節 熱輻射 314
一、基爾霍夫輻射定律 314
二、黑體輻射 316
三、普朗克能量子假設 318
四、人與熱輻射環境 319
第二節 光的量子性 319
一、光電效應 319
二、愛因斯坦光電效應方程 321
三、光的波粒二象性 322
四、康普頓效應 322
第三節 氫原子光譜玻爾的氫原子理論 323
一、氫原子光譜的規律 323
二、玻爾的氫原子理論 324
第四節 物質的波動性質 326
一、德布羅意波 326
二、電子顯微鏡 328
三、不確定關係 328
第五節 原子殼層結構 329
一、多電子原子的近似處理 329
二、原子的電子殼層結構 330
第六節 原子光譜與分子光譜 331
一、原子光譜 33．．．．

緒論
一、物理學的研究對象
物理學是以認識物質的基本屬性，研究物質運動規律為研究目的的學科，是自然科學的基礎，它的研究對象十分廣泛，包括宇觀、宏觀、微觀世界.
物理學是研究物質結構、物質相互作用和運動規律的一門自然科學，是自然科學中*重要的基礎學科之一，它對科學技術的發展起到至關重要的作用.
在所有自然科學中，物理學所研究的物質運動形式，具有*基本、*普遍的性質，具體說，物理學研究的運動包括：機械運動、分子熱運動、電磁運動、原子內部運動、場與物質的相互作用等，這些運動形式普遍存在於其他高級而復雜的物質運動形式之中，因此，物理學所研究的規律具有*基本、*普遍的意義，從而物理學的知識和理論成為研究其他自然科學不可缺少的基礎，正是由於物理學所研究的物質運動形態和運動規律在各自適用的範圍內有其普遍的適用性、統一性和簡單性，隨著現代科學技術的迅速發展和各門學科之間的相互滲透，形成了許多與物理學直接有關的新興邊緣學科（或前沿學科），如物理化學、天體物理學、生物物理學、生物物理化學、量子化學、生物物理遺傳學、醫學影像物理學、激光醫學、血液流變學、量子生物學、生物醫學工程學等，物理學的每一次重大發現和發明都椴大地推動了其他自然科學的發展，促使科學技術和生產技術發生根本性的變革.
醫學物理學是現代物理學與醫學相結合所形成的交叉學科，它的基礎知識、基本原理和方法，已成為研究醫學所不可缺少的基礎，現代醫學的發展，實際上走的是一條與物理學緊密相結合的道路，因此，物理學必將不斷地推動醫學向前迅猛發展.
二、物理學與醫學的關係
醫學是以人體為研究對象的生命科學，生命現象屬於物質的高級而復雜的運動形式，並且有其自身的運動規律，在生命活動中包含著大量的物理現象和物理過程，在醫學的發展進程中無時無刻不在運用著物理學的理論、方法和技術，物理學每一新進展無不對醫學施以巨大影響，促使醫學產生突破性的進步，顯微鏡的發明和使用，電子顯微鏡的出現，以及X射線衍射技術、波譜技術、電泳、色譜等使人類對生命現象的認識逐漸深化，生命科學已經從宏觀形態的研究進入到微觀機制的探討，從細胞水平提高到分子水平，從定性分析提高到定量分析，物理學的發展已經歷了三次大的突破，而每次突破都促進了醫學的發展，生命科學研究和醫療實踐中都越來越廣泛地採用物理學的技術和方法，隨著物理學經歷第一次大突破，科學家發明了溫度計、壓強計、顯微鏡等儀器，之後這些儀囂就在醫學中得到廣泛應用並彌補了醫學檢測手段的不足，到物理學發展經歷的第二次大突破時，期間對醫學發展促進較大的有兩件事，一是X射線的發現並很快地在醫學上應用；二是1889年沃勒（Waller）提出的心臟電偶極子模型，為心電圖的記錄提供了理論基礎，物理學經歷的第三次大突破以來，量子力學微觀理論的成果，又直接促進了核磁共振、激光等新技術的發展，這些成果已成為醫生診斷和治療的得力幫手. 20世紀70年代以後，由於電子計算機技術的飛速發展和日臻成熟，這一技術在醫學領域內得以大顯身手，除了X-CT、ECT、MRI、PET這樣的大型設備之外，微型計算機控制的某些人工器官亦在臨床上應用，這些都強有力地促進了醫學科學的發展與現代化，總之，物理學每一次新的理論發現和技術發展都會為醫學研究和醫療實踐提供新的理論基礎和更先進的方法及更方便、更精密的儀器，與此同時，生物學和醫學的不斷向前發展，又給物理學提出了新的研究課題，兩者相互促進、相互滲透、共同前進，不斷揭示生命現象的本質.
綜上所述，我們不難看出物理學與醫學之間的緊密關係，物理學的成就促進了醫學的發展和進步，同時也促進了醫學物理學這門邊緣學科的逐漸成熟，醫學物理學的發展離不開物理學與醫學的結合，因此，正確認識物理學與醫學的關係，端正學習物理學的態度，是學好醫學物理學的關鍵.
三、物理學的研究方法及其科學思維
學習物理學的研究方法和科學思維，不僅有助於學生對物理學和其他學科的學習和能力培養，而且可以啟發學生積極思維，激發學生的探索和創新意識，培養學生的創新精神和科學態度，各門學科包括物理學在內，其基本任務是認識物質屬性，研究物質運動規律，其研究方法都是遵循“實踐-理論-實踐”的認識法則，具體說，物理學的研究方法包括觀察、竇驗、假說和理論各個環節，觀察和實驗所獲得的大量資料是理論的依據，理論是從幾條基本原理出發，說明一定範圍內的各種物理現象，並且還能在一定程度上預言未知現象的存在，指導進一步的實踐，簡單地說，物理學的研究方法就是理論聯繫實踐的科學方法.
大量事實表明，物理思想與方法不僅對物理學本身有價值，而且對整個自然科學，乃至社會科學的發展都有著重要的貢獻，有人統計過，自20世紀中葉以來，在諾貝爾化學獎、生理學或醫學獎，甚至經濟學獎的獲獎者中，有很多人具有物理學的背景；這就意味著他們從物理學中汲取了營養和智能，轉而在非物理領域裡獲得了成功，反過來，卻從未發現有非物理專業出身的科學家問鼎諾貝爾物理學獎的事例，這就是物理學科學思維的價值所在，物理學知識的高度科學性、邏輯性、系統性和準確性常常以數學形式描述，使得物理學處於現代科學知識的領先地位，在現代自然科學體系中，物理學形成的科學風格、提供的科學準則，就是人們特別重視物理學的研究方法和科學思維的原因.
物理學的研究方法是開發智力和提高能力的途徑，物理學思想能啟迪學生創新思維，是培養創造型人才的火種，對學生而言，學好物理學能夠很好地培養和發展自己的認識結構和創新能力.
四、物理學與科學發展和技術進步及人才培養
物理學的發展已經經歷了三次大的突破，在17、18世紀，牛頓力學的建立和熱力學的發展，不僅有力地推動了其他學科的進展，而且適應了研製蒸汽機和發展機械工業的社會需求，機械能、熱能的有效應用引起了第一次工業革命，到了19世紀，在電磁理論的推動下，人們成功地製造了電機、電器和電信設備，引起了工業電氣化，使人類進入應用電能的時代，這就是第二次工業革命自20世紀以來，由於相對論和量子力學的建立，人們對原子、原子核結構的認識日益深入，在此基礎上，人們實現了原子核能和人工放射性同位素的利用，促成了半導體、核磁共振、激光、超導、紅外遙感、信息技術等新興技術的發明，許多邊緣學科也發展起來，新興工業猶如雨後春筍，現代科學技術正在經歷一場偉大的革命，人類進入了原子能、電子計算機、自動化、半導體、激光、空間科學、遺傳信息學等高新技術時代．
20世紀以來，物理學一方面向認識的深度邁進，另一方面又向應用的廣度發展，它在發掘新能源、新材料以及革新工藝過程、檢測方法等方面，都提供了豐富的實驗資料和理論根據；而許多新技術新工藝的實現，又大大地發展了生產力，生產技術的發展，反過來也為物理學的進一步研究準備了雄厚的物質條件，形成相輔相成、齊頭並進的局面，物理學與科學技術的關係，已如第三次世界物理學會大會決議所指出：“物理學是我們認識世界的基礎 是其他科學和絕大部分技術發展的直接的或不可缺少的基礎，物理學曾經是、現在是、將來也是全球技術和經濟發展的主要驅動力．”
在人類追求真理、探索未知世界的過程中，物理學展現的一系列科學的世界觀和方法論，深刻地影響著人類對物質世界的基本認識、人類的思維方式和社會活動，從這個角度，我們可以把物理學看成是人類文明發展的基石，它在人才的科學素質培養中具有重要的地位.
高等醫學院校肩負著培養我國各類高級醫療、衛生專門人才的重任，要使我們培養的醫療、衛生技術人員，能在飛速發展的科學技術面前有所創新、有所前進，對人類做出較大的貢獻，就必須加強基礎理論特別是物理學的學習，通過學習能對物質*普遍、*基本的運動形式和規律有比較全面而係統的認識，掌握物理學中的基本概念和基本原理以及研究問題的方法，同時在科學實驗能力、計算能力以及創新思維和探索精神等方面受到嚴格的訓練，培養分析問題和解決問題的能力，提高科學素質，努力實現知識、能力、素質的協調發展，探索未知是人類的天性，人類正是在不斷探索自然世界的過程中，形成和發展了物理學，從而得以修正和完善與我們賴以生存的地球的聯繫，使人類能在一個與自然更加和諧美好的關係中生存． （王光昶）
第一章 力學基礎
精子游動去尋找卵子力圖使其受精，胎兒生產經過產道是一個強烈的擠壓過程，新生兒第一聲啼哭與嬰兒肺擴張和氣體充盈的關係，血液流動與生命活動的關係，肌肉骨骼系統與運動和活動的關係；堅硬的鋼製人工關節植入人體後為什麼會發生意外斷裂，怎樣才能夠利用相關的力學知識和原理解決運動不便的殘疾人恢復運動能力等，所有這些與力學相關的生命現像中究竟存在怎樣的力學知識和規律？
力學（mechanics）研究的是物體機械運動（mechanical motion）的客觀規律，機械運動是*基本的運動形式，是其他運動的基礎，因此力學是學習物理學的基礎，也是學習生物科學和醫學的基礎.
第一節 物理量及其描述
本節在力學範疇內，介紹物理量及國際單位制和量綱
一、物理量
物理量是指物理學中量度物體屬性或描述物體運動狀態及其變化過程的量，它們通過物理定律及其方程建立相互間的關係，它們中有的規定為互相獨立的基本物理量，有的是按照物理定義由基本物理量導出的導出量，在1971年第十四屆國際度量衡大會（General Conference of Weights & Measures）上，確定了長度、質量、時間、電流、熱力學溫度、發光強度和物質的量作為基本量物理量；又依據對不同的物理事件進行描述所需不同的物理量，把物理量劃分為三類，如下所述．
（1）標量：只有大小沒有方向的物理量叫做標量（scalar）．例如，溫度、能量、質量等物理量是標量．
（2）矢量：既有大小又有方向，並且只有一個方向的物理量叫做矢量（vector）．例如，速度、加速度、力和動量等物理量是矢量．
（3）張量：既有大小又有方向，並且不止有一個方向的物理量叫做張量（tensor）．人們把張量對應的方向個數叫做張量的階，例如，描寫材料內部力學性質的應力和應變有兩個方向，是二階張量，根據物理事件描述的需要，還可以有更高階的張量.
二、單位制與量綱
物理學是實驗科學，對物理量必須進行測量，測量需要一個同類的量作為標準，該標準的量就稱為單位，物理量分基本量和導出量兩類.
1．國際單位制（SI制）
物理學中每一種基本量應有一個基本單位，曾經採用過不同的單位，如質量和長度曾以克和厘米為基本單位，某些地區還流行過以磅和尺為基本單位，現在規定以千克和米為基本單位，由於選定的基本量不同或規定的基本單位不同，就形成了不同的單位制，還曾出現過幾種單位制並存的情況，現已普遍採用國際單位制（表1-1），簡稱SI制，
表1-1 國際單位制規定的七個基本量
本書只用SI制，在原子物理中，為了便於描述微觀粒子，還常用原子質量單位（u）．原子質量單位是一個12C原子的質量的1/12.
2．量綱
導出量可由基本量導出，例如，速率v的定義是物體運動的路程*與所經歷的時間t之比，即*，其中心的物理性質是長度，量綱記為L；△t的物理性質是時間，量綱記為T．按照速率的定義式有（1-1）
這種說明導出量的屬性的關係式叫做量綱式，若物理量Q在導出關係上屬於與長度的p次方、質量的q次方和時間的r次方成正比，則Q的量綱式為（1-2）
量綱式只給出屬性關係，不包含數值關係.
從形式上看，量綱式與定義或定律的表示武相同，只是以屬性符號代替相應的物理量的符號，並且不計比例常數（沒有單位的數）．量綱式的意義在於說明導出量與基本量的屬性關係，從而給出導出量的單位，只要用基本量的單位代替基本量的屬性，就得到導出量的單位，
第二節 運動的描述
任何實際物體都具有一定的形狀和大小，在研究物體運動時．．．．．．．