作者：王光昶
页数：432
出版社：科学出版社
出版日期：2021
ISBN：9787030694485
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内容简介
本书是科学出版社“十四五”普通高等教育本科规划教材，是在王光昶、贺兵主编的《医学物理学》（2016年，科学出版社）的基础上修订而成的，本书共十六章，包括力学基础、物体的弹性与形变、流体的运动、机械振动和机械波及声波、分子动理论、热力学基础、静电场、恒定电流、磁场与电磁感应、波动光学、几何光学、量子力学基础、X射线、原子核和放射性、激光及其医学应用、磁共振成像。全书各章案例分析采用了二维码链接技术，实现纸质教材与数字教学资源的同步化，充分展示了新技术和新方法。
目录
前言
绪论 1
一、物理学的研究对象 1
二、物理学与医学的关系 1
三、物理学的研究方法及其科学思维 2
四、物理学与科学发展和技术进步及人才培养 2
第一章 力学基础 4
第一节 物理量及其描述 4
一、物理量 4
二、单位制与量纲 4
第二节 运动的描述 5
一、位置矢量和位移 6
二、速度 7
三、加速度 8
第三节 运动的基本定律 10
一、牛顿运动定律 10
二、冲量 动量定理 11
三、功和能 14
第四节 刚体的定轴转动 16
一、定轴转动的运动学 16
二、转动动能 转动惯量 17
三、力矩 转动定律 19
四、角动量 角动量守恒定律 21
五、旋进 22
第五节 转动惯量在医学领域中的应用 23
思考题与习题一 24
阅读材料 25
第二章 物体的弹性与形变 27
第一节 应力和应变 27
一、应力 27
二、应变 28
第二节 材料的弹性 28
一、弹性和塑性 28
二、弹性模量 30
三、弯曲 32
四、扭转 32
第三节 物体的形变和弹性势能 33
第四节 弹性腔的力学问题 33
一、球形弹性腔的力学问题 34
二、管形弹性腔的力学问题 34
第五节 骨与肌肉的生物力学特性 35
一、骨骼的力学性质 35
二、肌肉的力学特性 38
思考题与习题二 40
阅读材料 41
第三章 流体的运动 43
第一节 理想流体的流动 43
一、理想流体 43
二、稳定流动 43
三、连续性方程 44
第二节 伯努利方程及其应用 45
一、伯努利方程 45
二、伯努利方程的应用 47
第三节 黏性流体的流动 52
一、层流和湍流 52
二、牛顿黏滞定律 53
三、雷诺数 54
第四节 黏性流体的流动规律 55
一、黏性流体的伯努利方程 55
二、泊肃叶定律 55
三、斯托克斯定律 57
第五节 血流动力学基础 57
一、人体血液循环系统中的血流特点 57
二、血液流变学检测仪器及其医学应用 61
思考题与习题三 63
阅读材料 65
第四章 机械振动和机械波 声波 67
第一节 简谐振动 67
一、简谐振动方程 67
二、简谐振动的矢量图示法 70
三、简谐振动的能量 70
第二节 阻尼振动 受迫振动和共振 72
一、阻尼振动 72
二、受迫振动和共振 73
第三节 简谐振动的合成与分解 75
一、两个同方向、同频率简谐振动的合成 75
二、同方向、不同频率的简谐振动的合成 76
三、频谱分析 77
四、两个同频率、互相垂直的简谐振动的合成 79
第四节 机械波 80
一、机械波的产生 80
二、波面和波线 81
三、简谐波的波动方程 82
四、波的能量 84
五、波的强度 85
六、波的衰减 85
第五节 波的干涉 衍射 87
一、惠更斯原理 波的衍射 87
二、波的叠加原理 88
三、波的干涉 88
四、驻波及半波损失 90
第六节 声波 93
一、声压、声阻抗和声强 93
二、声波的反射和透射 95
三、声强级和响度级 96
四、多普勒效应 98
第七节 超声波 101
一、超声波的特性 101
二、超声波在介质中的作用 102
第八节 超声技术及其医学应用 103
一、超声波的产生与探测 103
二、医学超声仪的分辨力 103
三、超声扫描仪及其医学应用 105
思考题与习题四 109
阅读材料 111
第五章 分子动理论 113
第一节 物质的微观结构 113
第二节 理想气体分子动理论 114
一、理想气体状态方程 115
二、理想气体微观模型 115
三、理想气体的压强公式 116
四、理想气体的能量公式和能量均分原理 118
五、理想气体定律的推导 120
第三节 生物膜的输运 122
一、生物膜的通透性 122
二、气体的透膜扩散 122
三、带电粒子的扩散 123
四、溶液中的渗透 123
第四节 液体的表面现象 124
一、表面张力和表面能 124
二、曲面下的附加压强 127
三、毛细现象和气体栓塞 130
四、表面活性物质与表面吸附 132
第五节 毛细现象和气体栓塞的医学应用 133
思考题与习题五 134
阅读材料 135
第六章 热力学基础 137
第一节 热力学系统 概念 137
一、热力学的基本概念 137
二、热力学第一定律 140
第二节 热力学第一定律的应用 141
一、等体过程 141
二、等压过程 141
三、等温过程 143
四、绝热过程 143
第三节 循环过程 卡诺循环 145
一、循环过程和热机效率 145
二、卡诺循环及其效率 147
第四节 热力学第二定律及其统计意义 148
一、热力学第二定律 149
二、可逆过程和不可逆过程 149
三、热力学第二定律的统计意义和适用范围 150
第五节 熵与熵增加原理 151
一、克劳修斯等式 152
二、熵的概念 153
三、熵增加原理与能量退降 153
第六节 生物热力学 156
一、人体代谢过程中的能量转换 156
二、生物系统热力学 158
第七节 热效应的医学应用 158
一、制热效应的医学应用 158
二、制冷效应的医学应用 159
思考题与习题六 160
阅读材料 161
第七章 静电场 163
第一节 电场和电场强度 163
一、电荷和库仑定律 163
二、电场强度 164
第二节 高斯定理及应用 167
一、电场线和电通量 167
二、高斯定理 169
三、高斯定理的应用 171
第三节 电势和电势梯度 173
一、静电场力做功 173
二、电势 175
三、电势梯度 178
第四节 电偶极子与电偶层 180
一、电偶极子 180
二、电偶层 182
第五节 电场的生物学效应 184
一、静电场对种子萌发的生物学效应 184
二、静电场对植物愈伤组织诱导和增殖的影响 185
三、静电场对植物光合器官和功能的影响 186
第六节 生物电现象及其医学应用 186
一、细胞膜电势及神经传导的电学原理 186
二、心电图的形成 193
思考题与习题七 194
阅读材料 196
第八章 恒定电流 198
第一节 电流和电流密度 198
一、电流 电流密度 198
二、欧姆定律的微分形式 200
三、电解质的导电性 202
四、含源电路的欧姆定律 203
第二节 基尔霍夫定律 205
一、基尔霍夫第一定律 205
二、基尔霍夫第二定律 206
三、基尔霍夫定律的应用 206
第三节 电容器的充放电过程 208
一、RC电路的充电过程 209
二、RC电路的放电过程 210
第四节 生物膜电势 211
一、能斯特方程和静息电势 211
二、动作电势和神经传导 213
第五节 电流的医学应用 215
一、人体的导电性 215
二、电流对人体的作用 216
三、电疗 218
思考题与习题八 220
阅读材料 221
第九章 磁场与电磁感应 223
第一节 磁场及其性质 223
一、磁场 223
二、磁感应强度 223
第二节 磁场对运动电荷和电流的作用 224
一、洛伦兹力 224
二、霍尔效应 225
三、磁场对载流导线的作用磁矩 227
第三节 电流的磁场 229
一、毕奥-萨伐尔定律 229
二、毕奥-萨伐尔定律的应用 229
三、安培环路定理 233
第四节 电磁感应 234
一、磁感应线与磁通量 235
二、电磁感应定律 235
三、动生电动势 236
四、感生电动势涡旋电场 237
五、自感现象 237
第五节 电磁振荡和电磁波 238
一、电磁振荡 238
二、电磁波 240
第六节 磁场的生物效应及磁效应的医学应用 242
一、生物磁现象及医学应用 242
二、磁场的生物效应 243
三、磁效应的医学应用 244
思考题与习题九 245
阅读材料 246
第十章 波动光学 249
第一节 光的干涉 249
一、光的相干性 249
二、光程和光程差 250
三、杨氏双缝干涉 251
四、劳埃德镜实验 253
五、薄膜干涉 254
第二节 光的衍射 259
一、单缝衍射 260
二、圆孔衍射 262
三、光栅衍射 263
第三节 光的偏振 264
一、自然光和偏振光 264
二、马吕斯定律 267
三、布儒斯特定律 268
四、光的双折射 269
第四节 旋光现象 270
第五节 波动光学的应用 271
一、偏振光技术的应用 271
二、液晶的光学特性 272
思考题与习题十 272
阅读材料 273
第十一章 几何光学 276
第一节 球面折射 276
一、单球面折射 276
二、共轴球面系统 279
第二节 透镜 280
一、薄透镜 280
二、薄透镜组合 282
三、厚透镜 283
四、柱面透镜 285
五、透镜的像差 285
第三节 眼睛与视力矫正 287
一、眼睛的光学结构 287
二、眼睛的光学系统 288
三、眼睛的调节 289
四、眼睛的分辨本领及视力 289
五、眼睛的屈光不正及其矫正 291
第四节 几种医用光学仪器的原理及应用 294
一、放大镜 294
二、光学显微镜 295
三、检眼镜与纤镜 298
四、几种特殊的显微镜 300
思考题与习题十一 305
阅读材料 305
第十二章 量子力学基础 307
第一节 热辐射和普朗克能量子假设 307
一、热辐射和基尔霍夫辐射定律 307
二、黑体辐射 309
三、经典物理的困难和普朗克能量子假设 311
四、人与热辐射环境 312
第二节 光的量子性 312
一、光电效应 312
二、爱因斯坦光电效应方程 314
三、光的波粒二象性 315
四、康普顿效应 315
第三节 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论 316
一、氢原子光谱的规律 316
二、玻尔的氢原子理论 317
第四节 物质的波动性质 319
一、德布罗意波及其实验验证 319
二、电子显微镜 321
三、不确定关系 321
第五节 原子壳层结构 322
一、多电子原子的近似处理 322
二、原子的电子壳层结构 323
第六节 原
节选
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.
