《物理学》生物医学工程本科专业教学大纲2014.7.8

PAGEPAGE23《物理学》课程教学大纲课程编号：课程名称：《物理学》英文名称：medicalphysics课程类型:专业基础课必修总学时：120学分：6.5理论课学时：72实验学时：48适用对象:生物医学工程本科课程性质和地位物理学是自然学的基础学科之一，是研究自然界物质运动基本规律的科学。它研究的对象是物质最基本、最普遍的运动形式，包括机械运动，分子热运动，电磁运动，原子及原子核运动等。它虽然不能包括或替代高级的复杂的运动形式，但是，它所研究的问题无一不包括在其他高级的、复杂的运动形式之中。因此，物理学研究的规律具有极大的普遍性，这使它成为自然科学的基础和现代工程技术的重大支柱，也是生物医学工程专业的必修基础课。通过本课程学习，使学生正确认识物理学基本理论的建立和发展过程，培养学生正确的思想方法和研究方法，培养学生辩证唯物主义世界观，提高学生的基本素质，并为学生学习专业知识和近代科学技术打下必要的物理基础。随着科学技术的迅速发展，物理学与各学科间相互交叉、相互渗透日益密切，物理学将为学生适应现代科学技术发展在专业领域中有所发现、有所创造、有所前进打好基础。二、教学环节及教学方法和手段物理学的教学环节包括课堂讲授、考试等方式。其中课堂讲授是通过教师对指定教材部分章节的讲解，结合多媒体课件对板书和仪器结构给予图示以及启发式、案例式、双语式等教学方法的应用，加强对学生抽象与逻辑思维能力的培养，强调理论与实践相结合的讲授，从而提高学生分析问题、解决问题的能力，达到学生能掌握基本知识和基础理论的目的。考试是检验教学效果的有效手段，分理论考试和实验考试两种。理论考试是指学期末本学科的结业考试，是对学生学完物理学的总体测试。三、实验教学内容及要求[实验名称一]黑体辐射定律及发光体能量曲线的研究[项目性质]综合性实验[实验目的]1．掌握黑体辐射的基本原理，利用溴钨灯模拟验证黑体辐射定律。2．利用黑体实验装置测量其它发光体的能量曲线。3．利用观察窗观察光栅的二级光谱、黑体的色温。4．利用实验装置进行创新实验设计。[实验原理]在任何温度下物体都会向外发射出各种不同波长的电磁波，其辐射总能量随波长的分布与该物体的温度密切相关，这种现象就是热辐射。物体辐射出的能量称为辐射能。单位时间内的辐射能量即为辐射功率。设在单位时间内，从物体单位表面积所发射的波长在和范围内的辐射能为，则和之比称为该物体的单色辐射出射度，简称单色辐出度，用表示。黑体是一种完全的温度辐射体，它吸收全部的入射光辐射而一点也不反射。黑体辐射能量的效率最高，仅与温度有关，它的发射率是1，任何其它物体的发射率都小于1。斯蒂芬根据实验结果得出黑体的辐出度正比于其绝对温度的四次方，即对于每一温度，都有一最大值。与其对应的波长用表示。随着的升高，的值趋于减小，表明与成反比，即上式称为维恩位移定律。它表明，当黑体温度升高时，其峰值波长减小，即向短波方向移动。可以根据维恩位移定律来测量远处高温物体的表面温度。[实验时数]2学时[实验要求]1．验证黑体辐射定律2．测量其它发光体的能量曲线3.观察窗的演示实验。思考题1.黑体辐射规律有哪些？2.为什么用溴钨灯模拟黑体？3.利用该实验装置还能开发哪些实验内容？[实验名称二]法拉第效应和塞曼效应综合实验[项目性质]综合性实验[实验目的]1．用毫特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围。2．法拉第效应实验，消光法测量样品的费尔德常数。3．掌握观测塞曼效应的方法，加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理学概念的理解。4．观察汞原子546.1nm谱线的分裂现象以及它们偏振状态，计算电子荷质比。[实验原理]1.法拉第效应实验表明，在磁场不是非常强时，偏振面旋转的角度与光波在介质中走过的路程及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量成正比，即：费尔德常数与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），为常数，即与磁场强度有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料（如YIG等立方晶体材料），与不是简单的线性关系。不同的物质，偏振面旋转的方向也可能不同。习惯上规定，以顺着磁场观察偏振面旋转绕向与磁场方向满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数。对于每一种给定的物质，法拉第旋转方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关（不管传播方向与磁场同向或者反向），这是法拉第磁光效应与某些物质的固有旋光效应的重要区别。法拉第效应在磁场方向不变的情况下，光线往返穿过磁致旋光物质时，法拉第旋转角将加倍。利用这一特性，可以使光线在介质中往返数次，从而使旋转角度加大。法拉第效应也有旋光色散，即费尔德常数随波长而变，一束白色的线偏振光穿过磁致旋光介质，则紫光的偏振面要比红光的偏振面转过的角度大。实验表明，磁致旋光物质的费尔德常数随波长的增加而减小。2．塞曼效应设某一光谱线在未加磁场时跃迁前后的能级为和，则谱线的频率决定于在外磁场中，上下能级分裂为和个子能级，附加能量分别为和，并且可以按式算出。新的谱线频率决定于所以分裂后谱线与原谱线的频率差为对于波长一定的光，不同的干涉序出现在不同的入射角处，如果采用扩展光源照明，在F-P标准具中将产生等倾干涉，这时相同角的光束所形成的干涉花纹是一圆环，整个花样则是一组同心圆环。[实验时数]2学时[实验要求]1．仪器连接：2．励磁电流与电磁铁产生的磁场关系测量3．法拉第效应实验4．塞曼效应实验[实验名称三]磁共振成像[项目性质]验证性实验[实验目的]1.采用定标样品对一维成像有所认识。观察梯度场各个参数对一维成像的影响。2.了解瞬间梯度场，对二维空间相位编码有所认识。观察瞬间梯度大小和瞬间梯度保持时间对二维成像的影响。[实验原理]磁共振成像是利用核磁共振的共振频率严格正比于磁场这一基本规律，采用梯度磁场达到不同位置对应不同共振频率，并在共振中采集重建数据，再经傅里叶变换处理，从本质上讲，得出成像参数值的分布，从而完成磁共振图像重建。核磁共振成像利用的是样品原子核在主磁场、梯度磁场及射频电磁波的激励下产生的MR信号强度及MR信号频率和位相随空间位置不同而异来完成的。[实验时数]2学时[实验要求]1.频率设置。2.调节匀场。3.设置Z梯度场和一维成像。4.二维核磁共振成像记录及处理。[思考题]1.梯度场各个参数对一维成像的影响？2.瞬间梯度场的梯度大小和瞬间梯度保持时间对二维成像的影响？四、推荐教材和教学参考书书目参考教材：《普通物理学》，第6版，主编：程守洙，江之永高等教育出版社，2006年12月出版主要参考书：《物理学基础》，主编：哈里德，瑞斯尼克，沃克张三慧，李春译机械工业