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Engineering | Physik für Mediziner

Physik für Mediziner

Kamke, Prof. Dr. phil. Detlef, Walcher, Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. nat. h.c. Wilhelm

1982, XV, 625 S.

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  • Über dieses Lehrbuch

Eine Ausbildung in Physik gehört seit langem zum vorklinisch-medizinischen wie zum biologischen Studium. Das hat mehrere Gründe. Physikalische Vorgänge sind elementare Bestandteile der Natur- und Lebensvorgänge, die Gewinnung wissen­ schaftlicher Erkenntnisse und der wissenschaftliche Fortschritt in diesen Disziplinen setzen Grundkenntnisse der Physik voraus. Physikalische Methoden sind die Grundlagen vieler Laboruntersuchungen im gesamten biologisch-medizinischen Bereich, und ohne die Kenntnis physikalischer Erscheinungen und Effekte, ohne die Anwendung physikalischer Entwicklungen -etwa auf den Gebieten der Röntgenstrah­ lung, der Radioaktivität, des Ultraschalls, der Elektronenmikroskopie, der Registrie­ rung von Biosignalen - sind viele Bereiche biologisch-medizinischer Praxis nicht mehr denkbar. Das vorliegende Buch ist aus Vorlesungen entstanden, die die Verfasser an ihren Hochschulen speziell für angehende Mediziner gehalten haben und die auf deren be­ sondere Bedürfnisse abgestellt waren: durch geeignete Stoffauswahl, durch Betonung medizinischer Aspekte sowie durch Beispiele und Rechenaufgaben, die ans Quanti­ tative heranführen. So will dieses Buch dem Leser Einsicht in die Verknüpfung der Physik mit biologisch-medizinischen Teilbereichen geben und ein Gefühl für die dabei vorkommenden Größenordnungen vermitteln. Dabei mußte der Versuchung widerstanden werden, Physiologie anstelle von Physik zu lehren; das Buch ist ein Lehrbuch der Physik, das der Methode der Physik folgt und vom experimentell erarbeiteten und mit Worten beschriebenen Sachverhalt zum exakt definierten Begriff kommt, mit solchen Begriffen Gesetze formuliert, die mit Hilfe der Regeln der Mathematik die Berechnung von Quantitäten ermöglichen. Wir wollten dabei nicht auf Differential-und Integralrechnung verzichten, die ja zum gesicherten Bestand gymnasialer Schulbildung zählt.

Content Level » Upper undergraduate

Verwandte Fachbereiche » Technik

Inhaltsverzeichnis 

1 Methode der Physik: beobachten und schließen.- 2 Raum und Zeit.- 2.1 Physikalische Größe; Länge und Längeneinheit.- 2.2 Praktische Längenmessung.- 2.3 Ausmessung des Raumes; Koordinatensystem.- 2.4 Flächen- und Rauminhalt.- 2.5 Ebener und räumlicher Winkel (Raumwinkel).- 2.6 Zeit und Frequenz.- 3 Grundbegriffe der Mechanik.- 3.1 Geradlinige Bewegung, Geschwindigkeit und Beschleunigung.- 3.1.1 Geschwindigkeit.- 3.1.2 Schreibende Meßgeräte.- 3.1.3 Beschleunigung.- 3.1.4 Beschleunigung des freien Falls.- 3.2 Bewegung in der Ebene.- 3.2.1 Bahnkurve, Geschwindigkeitsvektor, Addition von Vektoren.- 3.2.2 Kreisbewegung als Spezialfall.- 3.3 Bewegung im Raum.- 3.4 Ergänzungen.- 3.4.1 Der gekrümmte Raum.- 3.4.2 Raum-Zeit-Kontinuum, hohe Geschwindigkeiten.- 3.5 Kraft und Masse.- 3.5.1 Ursachen von Beschleunigung und Trägheit.- 3.5.2 Wechselwirkung, actio = reactio.- 3.5.3 Drehmoment, Kräfte bei der Kreisbewegung.- 3.6 Beispiele für die „Trägheit der Materie“.- 3.7 Schwerelosigkeit.- 4 Größen- und Einheitensysteme.- 4.1 Basisgrößen und Basiseinheiten.- 4.2 Bezogene Größen.- 4.3 Ergänzung: Centimeter-Gramm-Sekunde (c-g-s)-System und technisches Einheitensystem.- 4.4 Unsaubere Größenbezeichnungen.- 5 Grundlagen der Struktur der Materie.- 5.1 Eigenschaften und Formen der Materie.- 5.1.1 Feste Körper.- 5.1.2 Flüssigkeiten.- 5.1.3 Gase.- 5.2 Atome und Moleküle.- 5.3 Atome und Atomkerne.- 5.4 Aufbau der zusammenhängenden Materie.- 5.5 Stoffmenge.- 5.5.1 Einfache Mengengrößen.- 5.5.2 Mengenbezogene Größen.- Stoffmengenbezogene Größen oder molare Größen — Volumenbezogene Größe oder „Dichte“ — Massenbezogene oder spezifische Größen.- 5.5.3 Stoffgemische.- Relative Häufigkeit der Teilchen — Anteil (Gehalt) der Komponenten im Gemisch — Konzentration der Komponenten im Gemisch — Molalität — Einige Ergänzungen.- 6 Körper und Materie im mechanischen Gleichgewicht.- 6.1 Gleichgewicht, Kräfteaddition und Kräftezerlegung.- 6.2 Schwerpunkt, Massenmittelpunkt, Standfestigkeit.- 6.3 Dehnung und Scherung fester Stoffe.- 6.3.1 Dehnung.- 6.3.2 Scherung.- 6.3.3 Elastische Beanspruchung der Materie (Spannungszustand).- Beispiele des Spannungs-Dehnungs-Zustandes im menschlichen Körper — Muskeln als aktiv elastische Stoffe — Dehnung von Gefäßwandungen.- 6.4 Flüssigkeiten.- 6.4.1 Druck, Stempeldruck, Kompressibilität.- 6.4.2 Schweredruck, Auftrieb, Flüssigkeitsmanometer.- 6.4.3 Druckgefälle in der rotierenden Flüssigkeit einer Zentrifuge.- 6.5 Gase.- 6.5.1 Kompressibilität.- 6.5.2 Druckmessung.- 6.5.3 Schweredruck, Luftdruck in der Erdatmosphäre.- 7 Wechselwirkungen und Felder.- 7.1 Übersicht; einige Arten von Kräften.- 7.2 Gravitationskraft.- 7.2.1 Gravitationsgesetz.- 7.2.2 Kraftfeld, Feldstärke.- 7.3 Elektrische Kräfte.- 7.3.1 Elektrische Ladung.- 7.3.2 Elektrische Leiter, elektrisches Netz und elektrische Ladung.- 7.3.3 Elektrisches Feld, Coulomb-Gesetz.- 7.3.4 Elektrisches Feld der Punktladung und des elektrischen Dipols.- 7.3.5 Elektrische Wechselwirkung im atomaren und molekularen Bereich.- Atomhülle — Chemische Bindungskräfte — Bindung in festen Stoffen —Dipolkräfte.- 7.4 Magnetische Kräfte.- 7.5 Lernkraft.- 7.6 Arbeit, Energie und Leistung.- 7.6.1 Arbeit in der Mechanik.- Hubarbeit im Schwerefeld — Spannarbeit bei elastischen Federn — Beschleunigungsarbeit.- 7.6.2 Leistung.- 7.6.3 Energie.- Energiesatz der Mechanik — Energieinhalt des gespannten Muskels — Reibung zwischen festen Körpern — Fahrrad-Ergometer zur Leistungsmessung.- 7.6.4 Arbeit im elektrischen Feld, Spannung und Potential.- Elektrische Spannung im Feld der Punktladung und des Dipols — Energie; Elektronenvolt als Energieeinheit.- 7.6.5 Energieinhalt der Stoffe: Bindungsenergie, chemische Energie.- Atome — Moleküle — Chemische Energie — Brennwert der Stoffe.- 7.6.6 Energie aus Atomkernen.- 7.7 Ergänzung: Impuls und Drehimpuls.- 7.7.1 Impuls.- 7.7.2 Drehenergie.- 7.7.3 Drehimpuls.- 8 Thermische Energie (Wärme).- 8.1 Wärme gleich ungeordnete (thermische) Energie.- 8.2 Temperaturmessung, Temperaturskalen.- 8.2.1 Thermometrie.- 8.2.2 Flüssigkeitsthermometer.- 8.2.3 Andere Temperaturskalen.- 8.2.4 Andere Thermometer.- Widerstands-Thermometer — Thermoelement-Thermometer — Strahlungsmesser als Thermometer.- 8.2.5 Temperatur des menschlichen Körpers.- 8.3 Stoffe bei Änderung der Temperatur (Thermische Zustandsgleichung).- 8.3.1 Feste Stoffe.- 8.3.2 Flüssigkeiten.- 8.3.3 Gase.- 8.3.4 Gasgemische.- 8.4 Diffusion.- 8.4.1 Diffusion als kinetischer Vorgang.- 8.4.2 Lösungen und Gasaufnahme in Flüssigkeiten.- 8.4.3 Osmotischer Druck.- 8.5 Änderungen der thermischen Energie.- 8.5.1 Änderung der thermischen Energie eines Körpers durch Wärmeaustausch.- 8.5.2 Spezifische und molare Wärmekapazität der Stoffe.- 8.5.3 Messung von Wärmemengen: Kalorimetrie.- 8.6 Allgemeiner Energiesatz: erster Hauptsatz der Thermodynamik.- 8.7 Einige thermodynamische Prozesse; Carnot-Prozeß und thermodynamische Temperatur.- 8.7.1 Isotherme Prozesse.- 8.7.2 Adiabatische Prozesse.- 8.7.3 Innere Energie U und Enthalpie H.- 8.7.4 Biologische Prozesse.- 8.7.5 Carnot-Prozeß und thermodynamische Temperatur.- 8.8 Entropie, zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.- 8.8.1 Entropie.- 8.8.2 Reversible und irreversible Vorgänge.- 8.8.3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.- 8.8.4 Stabilität.- 8.9 Wärmeaustausch durch Wärmeleitung und Konvektion.- 8.9.1 Wärmeleitung und Konvektion.- 8.9.2 Wärmetransport im Gegenstrom.- 8.10 Schmelzen, Sieden, Verdampfen: Änderung des Aggregatzustandes.- 8.10.1 Erwärmungsdiagramm, Haltepunkte der Temperatur.- 8.10.2 Dampfdruck und Verdampfungswärme.- 8.10.3 Luftfeuchtigkeit.- 8.10.4 Gefrierpunkterniedrigung, Siedepunkterhöhung und Dampfdruckerniedrigung bei Zweistoffsystemen mit einer nichtflüchtigen Komponente.- Siedepunkt, Tripelpunkt, Erstarrungspunkt reiner Stoffe — Siedepunkterhöhung, Gefrierpunkterniedrigung.- 8.10.5 Gefriertrocknung.- 8.10.6 Tiefe Temperaturen.- 9 Strömungsvorgänge.- 9.1 Strömung fluider Medien.- 9.1.1 Stromstärke, Stromdichte, Kontinuitätsgleichung.- 9.1.2 Bernoullisches Strömungsgesetz für reibungsfreie Strömungen.- 9.1.3 Dynamische Viskosität (Zähigkeit, innere Reibung) fluider Stoffe.- 9.1.4 Strömung durch Rohre, Hagen-Poiseuillesches Gesetz.- 9.1.5 Strömungswiderstand, Strömungen in verzweigten Systemen.- 9.1.6 Sedimentation.- 9.1.7 Turbulenz.- 9.1.8 Strömungen im Gefäßsystem des menschlichen Körpers.- Herzarbeit — Strömung und Druckabfall — Messung des Blutdrucks.- 9.1.9 Zwei weitere Anwendungen der Strömungsgesetze.- Strömungsart in der Luftröhre — Infusionsströmung.- 9.2 Elektrischer Gleichstrom.- 9.2.1 Elektrische Felder, metallische Körper, Kapazität.- 9.2.2 Elektrischer Strom und seine Wirkungen.- Stromstärke, Ladung, Stromdichte — Magnetische Wirkung des elektrischen Stromes — Chemische Wirkung des elektrischen Stromes — Wärmewirkung des elektrischen Stromes.- 9.2.3 Meßgeräte für den elektrischen Strom.- 9.2.4 Strömungsgesetze für den elektrischen Strom.- Strom-Spannungs-Kennlinie, elektrischer Widerstand, elektrischer Leitwert — Resistivität und Leitfähigkeit — Spannungsabfall, Spannungsteiler-(Potentiometer-)Schaltung — Elektrische Leistung.- 9.2.5 Elektrische Netzwerke.- Kirchhoffsche Gesetze — Strom- und Spannungsmesser — Spannungsquellen — Brückenschaltung — Einschaltvorgang eines Stromkreises mit Kondensator.- 9.3 Mechanismus der elektrischen Leitung.- 9.3.1 Ladungsträger.- 9.3.2 Elektrische Leitung in Metallen.- Elektrische Leitfähigkeit der Metalle — Temperaturabhängigkeit der Resistivität bzw. der Leitfähigkeit.- 9.3.3 Halbleiter.- 9.3.4 Elektrische Leitung in Flüssigkeiten.- Elektrische Leitfähigkeit von Flüssigkeiten, insbesondere von wäßrigen Lösungen — Dissoziation, Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit der Elektrolyte — Ladungs- und Materietransport in flüssigen Leitern, Faradaysche Gesetze.- 9.3.5 Elektrophorese und Iontophorese.- 9.3.6 Elektrische Leitung im Vakuum.- Vakuum und Ladungsträger — Photoemission — Thermische Emission von Elektronen — Die Elektronenröhre als Gleichrichter (Gleichrichterdiode) — Die Elektronenröhre als steuerbares Schaltelement (Triode) — Die Elektronenstrahlröhre.- 9.3.7 Elektrische Leitung in Gasen.- Träger-Erzeugung — Niederdruck-Gasentladung — Gasentladungslampen — Elektrizitätsleitung in Gasen unter Normaldruck.- 9.4 Magnetfelder.- 9.4.1 Magnetfeld und magnetische Feldstärke.- 9.4.2 Kraft auf Ströme und bewegte Ladungen im Magnetfeld.- 9.4.3 Zeitlich veränderliche Magnetfelder: elektromagnetische Induktion.- 9.5 Der menschliche Körper unter dem Einfluß elektrischer Spannungen, Ströme und Felder.- 9.5.1 Strömungsfeld in Leitern beliebiger räumlicher Ausdehnung.- 9.5.2 Der menschliche Körper als Leiter.- 9.5.3 Empfindungen und Wirkungen bei Gleichstrom und niederfrequentem Wechselstrom.- 9.5.4 Wirkung des elektrischen Stromes auf den Nerv.- 10 Wechselspannung und Wechselstrom.- 10.1 Wechselspannungserzeugung durch elektromagnetische Induktion.- 10.2 Kondensator und Spule im Wechselstromkreis.- 10.2.1 Wirkwiderstand (Gleichstromwiderstand) eines Leiters.- 10.2.2 Kondensator.- 10.2.3 Spule.- 10.2.4 Wirkwiderstand, Spule und Kondensator in Serie geschaltet.- 10.3 Leistung des Wechselstromes.- 10.4 Wiedergabe elektrischer Pulse mittels einfacher Schaltmittel.- 10.4.1 R-C-Glied.- 10.4.2 R-L-Glied.- 10.5 Der Transformator.- 10.6 Wirbelströme.- 11 Materie im elektrischen und magnetischen Feld.- 11.1 Isolierende (nicht-leitende) Stoffe im elektrischen Feld.- 11.2 Materie im Magnetfeld.- 12 Grenzflächen.- 12.1 Oberfläche einer Flüssigkeit.- 12.2 Grenzflächen.- 12.3 Verdampfungs-, Sublimations- und Lösungswärme (bzw. -Energie).- 12.4 Makroskopische Phänomene, Oberflächenspannung.- 12.5 Elektrische Phänomene an der Grenzfläche zweier fester Stoffe.- 12.5.1 Grenzfläche Metall-Metall (Thermospannung).- 12.5.2 Grenzfläche Halbleiter-Halbleiter.- 12.6 Elektrische Phänomene an der Grenzfläche mit Elektrolyten.- 12.6.1 Grenzfläche Metall-Elektrolyt.- 12.6.2 Galvanische Elemente.- 12.6.3 Grenzfläche Elektrolyt-Elektrolyt.- 12.6.4 Diffusionsspannung an der Grenzfläche zweier Elektrolyte.- 12.6.5 Grenzflächen mit Isolatoren.- 13 Periodische Vorgänge.- 13.1 Schwingungen mechanischer Systeme.- 13.2 Dämpfung.- 13.3 Schwingungs-Anfachung und Resonanz.- 13.4 Zwei gekoppelte Oszillatoren.- 13.5 Viele gekoppelte Oszillatoren: Wellen auf Leitungen.- 13.5.1 Ein Modell einer Leitung.- 13.5.2 Ausbreitung eines Rucks und eines Pulses auf der Modelleitung.- 13.5.3 Ausbreitung einer Sinuswelle auf der Modelleitung.- 13.5.4 Reflexion einer sich auf einer Pendelkette (Leitung) ausbreitenden Welle.- 13.6 Schallwellen.- 13.6.1 Schall-Wechselgrößen.- 13.6.2 Ausbreitungs- (Fortpflanzungs-)Geschwindigkeit.- 13.6.3 Wellenwiderstand.- 13.6.4 Schallstrahlung, Intensität, Absorption.- 13.6.5 Eigenschwingungen, Spektrum, Beugung der Schallwelle.- 13.6.6 Ohr und Gehör des Menschen.- 13.7 Elektromagnetische Schwingungen.- 13.7.1 Elektrische und magnetische Feldenergie.- 13.7.2 Der elektrische Oszillator (Schwingkreis).- 13.7.3 Der elektrisch schwingende Dipol (Dipol-Oszillator).- 13.7.4 Elektromagnetisches Feld der Dipolantenne, elektromagnetische Strahlung.- 13.7.5 Der menschliche Körper im elektromagnetischen Feld.- Physikalische Grundlagen — Einige Arten der Hochfrequenz-Wärme-Behandlung.- 13.7.6 Strahlungsschwächung, Eindringtiefe.- 14 Optik.- 14.1 Lichtquellen, Lichtgeschwindigkeit.- 14.2 Strahlenoptik.- 14.2.1 Lichtstrahlen.- 14.2.2 Reflexionsgesetz, Spiegel.- 14.2.3 Brechung des Lichtes, Brechungsgesetz.- 14.2.4 Optische Linsen.- Gekrümmte Grenzfläche zweier durchsichtiger Stoffe — Optische Linsen — Abbildungsgleichung.- 14.2.5 Einige optische Geräte.- Zwei (dünne) Linsen mit gemeinsamer optischer Achse — Geometrische Optik des menschlichen Auges — Strukturelle (Längen-)Auflösung des Auges — Vergrößerung — Lupe — Mikroskop.- 14.2.6 Abbildungsfehler.- Sphärischer oder Öffnungs-Fehler — Astigmatismus.- 14.3 Dispersion, Spektrum.- 14.3.1 Abhängigkeit der Brechzahl von der Farbe (Frequenz) des Lichtes.- 14.3.2 Chromatischer oder Farb-Fehler der Linsen.- 14.3.3 Geometrisch-optischer Farbfehler des menschlichen Auges.- 14.3.4 Spektrum, Spektralapparat.- 14.3.5 Farbensehen.- 14.4 Wellenoptik.- 14.4.1 Überlagerung von Wellen, Interferenz.- 14.4.2 Huygenssches Prinzip, Beugung am Spalt und an der Lochblende.- 14.4.3 Anwendung: Auge und Mikroskop.- Auge — Mikroskop — Phasenkontrast-Mikroskop.- 14.4.4 Optisches Gitter, spektrales Auflösungsvermögen.- Optisches Gitter — Spektrales Auflösungsvermögen von Gitter und Prisma.- 14.4.5 Dünne Schichten.- 14.4.6 Polarisiertes Licht.- Erzeugung polarisierten Lichtes, Doppelbrechung — Zirkular polarisiertes Licht — Polarisator und Analysator — Drehung der Polarisationsebene durch feste Stoffe — Drehung der Polarisationsebene durch Flüssigkeiten, Saccharimetrie.- 14.5 Lichtmessung, Absorption, Extinktion.- 14.5.1 Lichtmessung (Photometrie).- 14.5.2 Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges.- 14.5.3 Absorption und Extinktion.- 15 Strahlung — insbesondere energiereiche Strahlung.- 15.1 Atom- und Molekülspektren.- 15.1.1 Energie der Atom- und Molekülzustände.- 15.1.2 Emissions- und Absorptionsspektrum.- 15.2 Thermische Strahlung fester Stoffe.- 15.3 Röntgenstrahlung.- 15.3.1 Erzeugung und Eigenschaften der Röntgenstrahlung.- 15.3.2 Das Spektrum der Röntgenstrahlung.- 15.3.3 Messung der Röntgenstrahlung.- 15.3.4 Schwächung, Absorption und Härte von Röntgen- und Gamma-Strahlung.- 15.3.5 Strahlendosis, Strahlendosisleistung.- 15.4 Radioaktivität und Kernstrahlung.- 15.4.1 Bindungsenergie der Atomkerne.- 15.4.2 Radioaktive Strahlung.- 15.4.3 Gesetz des radioaktiven Zerfalls, Aktivität, Halbwertszeit.- 15.4.4 Radioaktive Zerfallsreihen, radioaktives Gleichgewicht.- 15.4.5 Energie der radioaktiven Strahlung.- 15.4.6 Schwächung (Absorption) von Kernstrahlung in Materie.- Strahlungsdetektoren — Schwächung von Strahlung schwerer Teilchen — Schwächung von Elektronenstrahlung — Schwächung von Gammastrahlung — Schwächung von Neutronenstrahlung — Zusammenfassung.- 15.5 Wechselwirkung von Kernstrahlung mit Atomkernen.- 15.5.1 Kernreaktionen.- 15.5.2 Neutronen und künstliche Radioaktivität.- Erzeugung von Neutronen — Messung von Neutronen — Künstliche Radioaktivität, Aktivierung.- 15.5.3 Kernspaltung.- 16 Steuerung und Regelung.- 16.1 Steuerung.- 16.2 Regelung, Regelkreis.- 16.3 Regler.- 17 Statistik.- 17.1 Stichprobe und Merkmal.- 17.2 Systematische und zufällige Abweichungen.- 17.3 Häufigkeit (Häufigkeitsverteilung) und Wahrscheinlichkeit, Stab- und Staffeldiagramm.- 17.4 Häufigkeitsverteilung, Normalverteilung.- 17.4.1 Ein Beispiel: Häufigkeitsverteilung der Erythrozyten-Konzentration.- 17.4.2 Normalverteilung — Gauß-Verteilung.- 17.5 Auswertung der Daten einer Stichprobe, arithmetisches Mittel und empirische Standardabweichung.- 17.6 Statistischer Test, Vertrauensbereich und Meßunsicherheit.- 17.6.1 Statistischer Test.- 17.6.2 Vertrauensbereich und Meßunsicherheit bei bekannter Standardabweichung.- 17.6.3 Vertrauensbereich und Meßunsicherheit bei unbekannter Standardabweichung.- 18 Information.- 18.1 Übertragungskanal.- 18.2 Codierung.- 18.3 Information.- 18.4 Gewinnung von Information durch einen Test.- 18.5 Übertragungskanal und Informationstransfer.

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