Physik für Mediziner

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.