практикум часть 1
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ
ГОУ ВПО «СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ РОСЗДРАВА»
КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
П.Г. Адамов, С.К. Кириллов
ПРАКТИКУМ ПО МЕДИЦИНСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ ПЕРВОГО КУРСА СГМА
Часть 1(семестр первый)
Издание одобрено и рекомендовано к печати Центральным методическим советом Смоленской государственной медицинской академии
в качестве учебного пособия для студентов, обучающих по специальностям: 040100 – Лечебное дело, 040200 – Педиатрия,
040400 – Стоматология
Смоленск
2010
ББК 22.3 УДК 61:53 (071)
А 281
Рецензенты:
доктор медицинских наук, профессор В.Г. Подопригорова, заведующая кафедрой пропедевтики внутренних болезней СГМА, зав. ПНИЛ клинической биофизики и метаболической терапии; кандидат технических наук, доцент В.М. Костюченко, кафедра информационных
технологий Российского университета кооперации (г. Москва)
Адамов П.Г.
Практикум по медицинской и биологической физике: учебное пособие для студентов первого курса СГМА, часть 1/ Адамов П.Г. , Кириллов С.К..
– Смоленск: СГМА, 2010. - 123 с.
Данное учебное пособие содержит комплекс лабораторных занятий по курсу медицинской и биологической физики, соответствующих учебной программе и Государственному стандарту для студентов– медиков лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов.
Практикум включает в себя тринадцать лабораторных работ. В каждой работе кратко изложена теория, касающаяся рассматриваемой проблемы или физического явления. Рекомендована методика составления отчета с учетом требований Единой Системы Конструкторской Документации (ЕСКД). По результатам отчёта проводится собеседование со студентами.
Материал изложен в полном соответствии с требованиями программы для студентов медицинских вузов, обучающихся по специальностям 040100 – Лечебное дело, 040200 – Педиатрия, 040400 – Стоматология.
Учебное пособие рекомендовано Центральным методическим советом ГОУ ВПО СГМА Росздрава № ________ «___» ____________ 20__ г.
(протокола) |
(дата заседания) |
|
ББК 22.3 |
|
УДК 61:53 (071) |
©Коллектив авторов, 2010
©ГОУ ВПО СГМА Росздрава, 2010
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие………………………………………………………………… 5 Введение…………………………………………………………………….. 6
Раздел I. Некоторые вопросы подготовки к лабораторным
работам и форма отчета………………………………………………… 6 1.1. Содержание отчета…………………………………………………… 7
1.2. |
Организация работы студентов при выполнении практикума…… |
8 |
1.3. |
Порядок выполнения работ…………………………………………. |
8 |
1.4 |
Анализ результатов лабораторных измерений и их обработка….. |
8 |
1.5. |
Выводы по лабораторным работам………………………………… |
9 |
1.6.Защита лабораторных работ……………………………………….. 9
1.7.Организация работы в лаборатории………………………………. 10
1.8.Обработка результатов физических измерений…………………… 10
1.9.Классификация измерений и погрешностей………………………. 10
1.10.Закон нормального распределения……………………………….. 11
1.11.Случайная погрешность. Надежность и доверительный интервал……………………………………………………………. 13
1.12.Распределение Стьюдента. Коэффициент Стьюдента
и случайная погрешность………………………………………………. 13 1.13. Действия над приближенными числами………………………… 14 1.14. Округление погрешности измерений и среднего
арифметического измеряемой величины……………………….. 15
1.15.Обработка результатов прямых измерений……………………… 15
1.16.Погрешности при косвенных измерениях………………………. 16
1.17. Погрешности табличных и постоянных физических величин… 16
1.18.Графическая обработка результатов измерений……………….. 16
1.19.Литература раздела………………………………………………… 21
Раздел II. Практикум по лабораторным работам………………… |
22 |
Работа №1. Лабораторная работа 21. Изучение нормального закона |
|
распределения………………………………………………. |
22 |
2.1.1.Цели работы……………………………………………………….. 22
2.1.2.Приборы и принадлежности……………………………………… 22
2.1.3.Вопросы к занятию……………………………………………….. 23
2.1.4.Теоретическое введение………………………………………….. 23
2.1.5.Лабораторная работа № 1 Отчет………………………………….. 34 Работа №2. Лабораторная работа 2а. Электроизмерительные приборы.. 40
2.2.1.Цели работы………………………………………………………… 40
2.2.2.Приборы и принадлежности………………………………………. 40
2.2.3.Вопросы к занятию………………………………………………… 40
2.2.4.Теоретическое введение…………………………………………… 41
2.2.5.Лабораторная работа № 2 Отчет………………………………….. 43
3
Работа №3. Лабораторная работа 2б. Электронный осциллограф……… |
51 |
2.3.1. Цели работы………………………………………………………… |
51 |
2.3.2. Приборы и принадлежности………………………………………. |
51 |
2.3.3. Вопросы к занятию………………………………………………… |
51 |
2.3.4. Теоретическое введение…………………………………………… |
52 |
2.3.5. Лабораторная работа № 3 Отчет………………………………….. |
60 |
Работа№4.Лабораторнаяработа1э.Изучениедатчиковтемпературы………. |
66 |
2.4.1.Цели работы……………………………………………………….. 66
2.4.2.Приборы и принадлежности………………………………………. 66
2.4.3. Вопросы к занятию………………………………………………… |
66 |
2.4.4. Теоретическое введение…………………………………………… |
67 |
2.4.5. Лабораторная работа № 4 Отчет………………………………….. |
74 |
Работа№5.Лабораторнаяработа3э.Изучение усилителя электрических |
|
сигналов………………………………………………………… |
81 |
2.5.1.Цели работы………………………………………………………….. 81
2.5.2.Приборы и принадлежности………………………………………. 81
2.5.3. Вопросы к занятию………………………………………………… |
81 |
2.5.4. Теоретическое введение…………………………………………… |
81 |
2.5.5. Лабораторная работа № 5 Отчет………………………………….. |
96 |
Работа№6.Лабораторнаяработа4э.Изучение аналогового и комбини |
|
рованного устройств отображения и регистрации информации.. |
105 |
2.5.1. Цели работы……………………………………………………….. |
105 |
2.5.2. Приборы и принадлежности……………………………………… |
105 |
2.5.3.Вопросы к занятию……………………………………………….. 105
2.5.4.Теоретическое введение………………………………………….. 106
2.5.5. Лабораторная работа № 5 Отчет………………………………. 112 Приложение………………………………………………………………. . 122 Таблица 1 Десятичные и кратные дольные единицы………………….. 122 Таблица 2 Значения t - критерия Стьюдента при различных уровнях
надежности γ и объемах выборки n…………………….. 122 Таблица 3 Значения некоторых постоянных…………………………… 123
4
Предисловие
Настоящее пособие состоит из двух частей, включающих описание ряда важных для курса медицинской и биологической физики лабораторных работ, выполняемых студентами первого курса в первом и втором семестрах по разделам: статистические методы обработки данных, электронные и электроизмерительные устройства и приборы, оптические измерения, термометрия, аудиометрия, УВЧ – терапия.
Лабораторные работы поставлены с использованием современных экспериментальных методов, включающих оптические, спектрофотометрические, электронные и др. методы.
Пособие может служить не только для выполнения описанных лабораторных работ, но и для общего ознакомления с техникой эксперимента.
Рассмотрены вопросы подготовки к лабораторным работам и формы отче-
тов.
Авторы выражают благодарность всем преподавателям и сотрудникам кафедры за их многолетний труд по созданию, обсуждению и внедрению лабораторных и практических работ в учебный процесс.
5
Введение
В современной медицине, науке и технике одной из важнейших задач является постановка и проведение эксперимента. Однако, каким бы ни был сложным тот или иной эксперимент, форма представления его результатов мало отличается от обычных студенческих отчетов по лабораторным и практическим работам, хотя качественно имеет существенное различие. Итогом завершения любого эксперимента является представление результатов работы, формулировка основных выводов, или составление необходимых рекомендаций. Чтобы проводить эксперимент на высоком научно-методическом уровне, необходимо обладать особыми качествами, которым следует постоянно и терпеливо учиться. Результаты такого эксперимента позволят сделать правильные и полезные выводы и рекомендации будущим молодым медикам в своей практической и научной деятельности.
Раздел I
Некоторые вопросы подготовки к лабораторным работам и форма отчета
В процессе подготовки к конкретной лабораторной работе студент теоретически готовится по данной теме, изучая рекомендуемый материал по лекционным записям, учебникам и учебным пособиям, исходя из требований входного контроля, который будет проводиться в начале лабораторной работы. Далее студент должен дома подготовить заготовку будущего отчёта по данной лабораторной работе, в которой он вычерчивает соответствующей формы таблицы для записи числовых значений, которые будут получены в процессе измерений.
Занятия начинаются с 12-минутной самостоятельной работы по вопросам входного контроля, уточнения неясных вопросов и беглого опроса студентов по теме лабораторной работы. После этого студенты собирают экспериментальную установку или электрическую схему (в случае необходимости). Выполнение измерений, включение схем разрешается только после проверки установок или схем преподавателем. Каждый опыт может повторятся несколько раз для оценки усредненных значений и определения погрешностей эксперимента (повторяется не менее трех раз). Допустимая ошибка не должна превышать 5%. Результаты измерений проверяются преподавателем. После этого студент составляет отчет по следующей форме:
1.1. Содержание отчета
1. Титульный лист. Он содержит: название учебного учреждения, тема лабораторной работы, ее название, Ф.И.О. исполнителя и преподавателя и дату защиты.
6
2. Цели работы.
3. Краткое теоретическое обоснование и расчетные формулы. Краткая тео-
рия по лабораторной работе. Формулы. Зарисовка прибора или схемы установки.
4. Экспериментальная часть. Проведение измерений. Снятие результатов эксперимента, внесение данных в таблицы.
5.Обработка экспериментальных данных. Расчеты необходимых параметров
ихарактеристик устройств или изучаемых явлений. Графическое изображение результатов опыта. Оценка погрешности измерений.
6.Краткие выводы по работе.
Отчеты сдаются для проверки преподавателю в конце данного или начале следующего занятия (по согласованию с преподавателем). Оценка работы устанавливается путем индивидуальной беседы преподавателя с каждым студентом по содержанию представленного отчета и заносится в журнал успеваемости. Лаборатория снабжается настенными таблицами используемых законов и констант, а также зарисовками приборов и схемами установок.
1.2. Организация работы студентов при выполнении практикума
Работа студентов по изучению лабораторного практикума состоит из:
1)домашней подготовки к выполнению работ;
2)непосредственного выполнения лабораторных работ в лаборатории;
3)анализа полученных результатов измерений и их обработки;
4)защиты лабораторных работ.
Подготовка к выполнению лабораторных работ осуществляется студентами в часы самостоятельной работы. Для этого необходимо внимательно изучить описание предстоящей лабораторной работы, ознакомиться по лекциям и соответствующей литературе с новыми понятиями и изучаемыми в данной работе закономерностями. Затем необходимо усвоить положения и физические понятия, используемые в данной лабораторной работе, важно хорошо разобраться в устройстве и работе установки или устройства, подобрать метод измерения, который можно использовать в данных условиях.
Для записи результатов измерений используют таблицы.
Для построения графиков в отчёт вклеиваются или прилагаются листы миллиметровой бумаги размером 10 х 10 или 15 х 15 см 2.
На занятиях студент должен вести все записи максимально аккуратно и подробно.
К выполнению лабораторной работы можно приступить только с разреше-
ния преподавателя.
В случае обнаружения неподготовленности студента к выполнению лабораторной работы разрешается проработка материала на данном занятии. Выполнение работы переносится на время отработки.
7
1.3. Порядок выполнения работ
Перед выполнением необходимо изучить принцип работы установки или макета, приобрести навыки работы с ними. При обнаружении неисправностей установки необходимо сообщить о них преподавателю. В процессе измерений студентом в отчете внимательно и аккуратно производится запись результатов измерений. Запись ведется в точности с показаниями измерительных приборов. Ошибочные записи, промахи и сомнительные наблюдения аккуратно зачеркиваются.
При проведении и записи измерений необходимо проверять полученные данные, сверяясь с показаниями приборов. Данные с измерительного прибора снимаются и записываются с точностью до половины цены деления шкалы.
При заполнении таблицы данные вписываются так, чтобы классы чисел располагались один под другим. Отсутствие данных в графе таблицы обозначается знаком тире. Нельзя оставлять в графах таблицы пустые места.
В конце занятия студент подает отчет на подпись преподавателю. Отчет, не подписанный преподавателем, считается недействительным, а работа – невыполненной.
К следующему занятию в лаборатории необходимо полностью оформить отчет по предыдущей выполненной работе.
1.4. Анализ результатов лабораторных измерений и их обработка
Выполняя лабораторные работы физического практикума, мы проводим эксперимент, к которому необходимо относиться вполне серьезно и вдумчиво, имея определенный запас теоретических знаний по изучаемой теме. Конечным результатом любого эксперимента является набор необработанных данных – это информация, снятая непосредственно с измерительных приборов. После анализа и обработки результатов измерений мы получаем обработанные данные эксперимента, на основе которых можно делать соответствующие выводы и рекомендации.
Чтобы правильно и достоверно обработать результаты эксперимент в каждой лабораторной работе, необходимо хорошо разобраться в основах теории обработки результатов физических измерений как прямых, так и косвенных. Недопустимо путать обработку результатов прямых и косвенных измерений, так как они существенным образом отличаются друг от друга.
При обработке результатов эксперимента приходится численные значения подставлять в соответствующие расчетные формулы. При этом необходимо выбрать одну систему единиц измерения всех физических величин. Для студентов рекомендуется система единиц СИ. Запись расчетной формулы с подставленными числовыми значениями должна обязательно содержаться в отчете. Все расчеты осуществляют на микрокалькуляторах и записывают их с учетом правил приближенных вычислений.
8
При расчете погрешностей полезно помнить практические советы:
*все вычисления ошибок нужно проводить только с одной или, самое большое, двумя цифрами;
*если не указана погрешность измерительного прибора, то ее максимальное значение принимается равным половине цены деления шкалы прибора;
*если результат содержит две значащие цифры, то неопределенность измерения лежит в пределах 10%, если три значащие цифры – 1%, если четыре циф-
ры – 0,1%;
*при определении окончательной относительной погрешности частного или произведения складываются квадраты относительных погрешностей. Поэтому можно пренебречь всеми относительными погрешностями, не превышающими одной трети от максимальной.
Оценку качества проведенного эксперимента следует давать, только анализируя обработанные результаты измерений. Среднее значение любой выборки никогда не совпадает с истинным значением физической величины. Поэтому полученный результат необходимо оценить и взвесить с учетом рассчитанных погрешностей. Не следует забывать, в какой мере значим найденный конечный результат.
1.5. Выводы по лабораторным работам
По каждой выполненной работе необходимо сделать соответствующие выводы по типу аннотаций к печатным изданиям. При составлении выводов рекомендуем отразить следующие моменты:
а) какая физическая величина, каким методом определяется. Какие графические зависимости и для чего строятся;
б) краткое обсуждение полученного результата и его достоверность; в) анализ погрешностей с указанием причин, снизивших качество измере-
ний;
г) какие явления изучены экспериментально в данной работе; д) общее заключение о качестве полученных результатов.
1.6. Защита лабораторных работ
Каждую выполненную лабораторную работу студент обязан защитить. На защите студент должен показать знание теории и методов измерения, используемых в данной работе; уметь формулировать и понимать встречающиеся в данной работе физические законы и закономерности; знать определения всех встречающихся в работе физических понятий и величин; уметь анализировать и объяснять полученные результаты; представлять причины возникновения погрешностей применительно к данной работе.
Студент, полностью выполнивший и защитивший все лабораторные работы,
9
предусмотренные графиком, получает в конце зачет по лабораторным работам.
1.7. Организация работы в лаборатории
Работая в лаборатории, студент ОБЯЗАН соблюдать правила техники безопасности, с которыми их знакомит преподаватель на вводном занятии.
Экспериментатор работает плодотворно, меньше допускает ошибок, наиболее сосредоточен только в том случае, если обеспечены надлежащие условия для его работы. Поэтому при выполнении работ в лаборатории не разрешается хождение студентов и громкие разговоры. По всем непонятным вопросам следует обращаться за разъяснениями только к преподавателю. После выполнения лабораторной работы рабочее место приводится студентом в порядок.
1.8. Обработка результатов физических измерений
При проведении лабораторных работ приходится измерять всевозможные физические величины. Под измерением понимают нахождение числового значения физической величины экспериментальным путем в результате прямого или косвенного сравнения ее с однородной величиной, принятой за единичную. Измерение физических величин осуществляется с помощью специальных технических средств.
1.9. Классификация измерений и погрешностей
Все физические измерения делятся на прямые и косвенные. При прямых измерениях значение физической величины определяется непосредственно показаниями измерительного средства (измерение длины тела обычной линейкой или микрометром, измерение температуры тела термометром и т.д.). При косвенных измерениях значение физической величины вычисляют на основании известной математической зависимости от величин, определяемых на основе прямых измерений. Это - определение объема параллелепипеда по его длине, ширине и высоте; определение скорости тела по измерениям пути и времени, измерение частоты пульса датчиком из углеродистой по изменению его длины и т.д. Каким бы совершенным ни было техническое средство, невозможно выполнить измерение абсолютно точно. Результат измерения xi отличается от истинного значения физической величины Х0.
Отклонение
xi |
x0 xi, |
(1) |
выраженное в единицах измеряемой величины, называется погрешностью измерения. Для оценки качества измерений важно знать относительную погрешность измерения
10