Zabel Kurzlehrbuch Physik

2. aktualisierte Auflage 2016
ISBN: 978-3-13-240031-3
Verlag: Thieme
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 252 Seiten

Reihe: Kurzlehrbuch

Das gesamte prüfungsrelevante Wissen für das Fach Physik - für deine Prüfungen im Semester und das PhysikumOrientiert am aktuellen GegenstandskatalogDie klare Gliederung gibt eine gute Übersicht und hilft dir, dich effizient auf die Prüfung vorzubereitenZahlreiche Abbildungen und Tabellen veranschaulichen den Text und erleichtern dasVerständnisTipps im Text geben nützliche Hinweise auf Stolperfallen in Prüfungen oder beim LernenÜbungsaufgaben mit Lösungen machen dich fit für die Prüfung Der ausführliche Anhang enthält Formeln und Einheiten zum schnellen NachschlagenViele klinische Hinweise machen dir deutlich, wofür du diese Grundlagen lernst2. Auflage: Aktualisierung der Inhalte Der komplette Inhalt ist auch online verfügbar!

Zielgruppe

Studenten

Autoren/Hrsg.

Zabel, Hartmut

Fachgebiete

• Medizin | Veterinärmedizin Medizin | Public Health | Pharmazie | Zahnmedizin Vorklinische Medizin: Grundlagenfächer Physik, Chemie, Biologie für Mediziner

Inhaltsverzeichnis

1;Hartmut Zabel: Kurzlehrbuch Physik;1
1.1;Auf einen Blick;2
1.2;Innentitel;4
1.3;Impressum;5
1.4;Vorwort;6
1.5;Inhalt;8
1.6;1 Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung;12
1.6.1;1.1 Physikalische Größen und Einheiten;14
1.6.1.1;1.1.1 Überblick;14
1.6.1.2;1.1.2 Physikalischen Größen und Einheiten;14
1.6.1.3;1.1.3 Basisgrößen und Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems;15
1.6.1.4;1.1.4 Skalare und Vektoren;16
1.6.1.5;1.1.5 Bedeutung von Differenzial und Integral;19
1.6.1.6;1.1.6 Flächen und Volumina;20
1.6.1.7;1.1.7 Definition und Einheiten von Winkeln;21
1.6.2;1.2 Messen und Unsicherheiten beim Messen;22
1.6.2.1;1.2.1 Überblick;23
1.6.2.2;1.2.2 Messfehler;23
1.6.2.3;1.2.3 Mittelwert und Standardabweichung;23
1.6.2.4;1.2.4 Fehlerfortpflanzung;25
1.6.3;1.3 Wichtige Funktionen;26
1.7;2 Mechanik des Massenpunkts und der starren Körper;32
1.7.1;2.1 Bewegung;34
1.7.1.1;2.1.1 Einleitung;34
1.7.1.2;2.1.2 Geschwindigkeit und Beschleunigung Geschwindigkeit;34
1.7.1.3;2.1.3 Arten der Bewegung;35
1.7.2;2.2 Impuls, Kraft, Drehimpuls, Drehmoment;40
1.7.2.1;2.2.1 Überblick;40
1.7.2.2;2.2.2 Impuls und Impulserhaltung;40
1.7.2.3;2.2.3 Drehimpuls und Trägheitsmoment Drehimpuls;41
1.7.2.4;2.2.4 Kraft und Arten von Kräften Die 3 Newton’schen Axiome;42
1.7.2.5;2.2.5 Reibungskräfte;45
1.7.2.6;2.2.6 Drehmoment;46
1.7.2.7;2.2.7 Bezugssysteme;50
1.7.3;2.3 Arbeit, Energie, Leistung;52
1.7.3.1;2.3.1 Überblick;52
1.7.3.2;2.3.2 Mechanische Arbeit;52
1.7.3.3;2.3.3 Hubarbeit und potenzielle Energie;52
1.7.3.4;2.3.4 Leistung;54
1.7.3.5;2.3.5 Vergleich Translations-/Rotationsbewegung;54
1.8;3 Mechanik ausgedehnter und deformierbarer Körper;56
1.8.1;3.1 Wichtige Grundlagen;58
1.8.1.1;3.1.1 Mengengrößen, bezogene Größen;58
1.8.1.2;3.1.2 Begriffsdefinitionen;58
1.8.1.3;3.1.3 Aggregatzustände;59
1.8.2;3.2 Aufbau der Atome und Atomkerne;60
1.8.2.1;3.2.1 Überblick;60
1.8.2.2;3.2.2 Aufbau des Atoms;60
1.8.2.3;3.2.3 Die Elektronenhülle;61
1.8.2.4;3.2.4 Der Atomkern;62
1.8.3;3.3 Verformung fester Körper;63
1.8.3.1;3.3.1 Zug und Druck Hooke’sches Gesetz;63
1.8.3.2;3.3.2 Hydrostatischer Druck;65
1.8.3.3;3.3.3 Scherung und Drillung;65
1.8.3.4;3.3.4 Biegung;65
1.8.3.5;3.3.5 Plastische Verformung;66
1.8.4;3.4 Hydrostatischer Druck;67
1.8.4.1;3.4.1 Überblick;67
1.8.4.2;3.4.2 Hydrostatischer Druck;67
1.8.4.3;3.4.3 Druckmessung;68
1.8.4.4;3.4.4 Compliance;69
1.8.4.5;3.4.5 Luftdruck und Schweredruck Luftdruck;70
1.8.4.6;3.4.6 Auftrieb;71
1.8.5;3.5 Kräfte an Grenzflächen;73
1.8.5.1;3.5.1 Überblick;73
1.8.5.2;3.5.2 Kohäsion und Adhäsion;73
1.8.5.3;3.5.3 Oberflächenspannung;74
1.8.5.4;3.5.4 Kapillarität;75
1.8.6;3.6 Strömung von Flüssigkeiten;76
1.8.6.1;3.6.1 Überblick;76
1.8.6.2;3.6.2 Laminare und turbulente Strömung;77
1.8.6.3;3.6.3 Dynamik von Flüssigkeiten;78
1.8.6.4;3.6.4 Reale Flüssigkeiten;78
1.9;4 Wärme, Löslichkeit, Diffusion;84
1.9.1;4.1 Temperatur;86
1.9.1.1;4.1.1 Einleitung;86
1.9.1.2;4.1.2 Temperaturmessung Temperaturskalen;87
1.9.1.3;4.1.3 Thermische Ausdehnung Ausdehnungskoeffizient;88
1.9.2;4.2 Wärme und Wärmekapazität;88
1.9.2.1;4.2.1 Überblick;88
1.9.2.2;4.2.2 Wärme und Wärmekapazität;89
1.9.2.3;4.2.3 Hauptsätze der Wärmelehre Thermodynamische Systeme;91
1.9.2.4;4.2.4 Wärmetransport;93
1.9.3;4.3 Thermodynamik von Gasen;96
1.9.3.1;4.3.1 Überblick;96
1.9.3.2;4.3.2 Allgemeine Gasgleichung;96
1.9.3.3;4.3.3 Zustandsänderungen;96
1.9.3.4;4.3.4 Gasgemische;97
1.9.4;4.4 Änderung des Aggregatzustands;98
1.9.4.1;4.4.1 Überblick;98
1.9.4.2;4.4.2 Phasenübergang;98
1.9.4.3;4.4.3 Sättigungsdampfdruck und Siedepunkt;99
1.9.5;4.5 Stoffgemische;100
1.9.5.1;4.5.1 Überblick;100
1.9.5.2;4.5.2 Molarität;100
1.9.5.3;4.5.3 Löslichkeit;100
1.9.5.4;4.5.4 Dampfdruckerniedrigung;101
1.9.5.5;4.5.5 Osmose;101
1.9.5.6;4.5.6 Diffusion;103
1.9.5.7;4.5.7 Vergleich Osmose und Diffusion;104
1.10;5 Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus;106
1.10.1;5.1 Elektrizität;108
1.10.1.1;5.1.1 Überblick;108
1.10.1.2;5.1.2 Elektrische Stromstärke, elektrische Ladung;108
1.10.1.3;5.1.3 Elektrisches Feld;110
1.10.1.4;5.1.4 Elektrische Spannung Elektrisches Potenzial (= elektrische Spannung);114
1.10.1.5;5.1.5 Elektrischer Strom und elektrischer Widerstand;117
1.10.1.6;5.1.6 Elektrischer Stromkreis Einige Definitionen;119
1.10.1.7;5.1.7 Elektrizitätsleitung Festkörper;124
1.10.1.8;5.1.8 Elektrische Spannungen an Grenzflächen, Diffusionsspannungen Kontaktspannung zwischen verschiedenen Metallen;127
1.10.2;5.2 Magnetismus;129
1.10.2.1;5.2.1 Überblick;129
1.10.2.2;5.2.2 Magnetische Feldstärke Magnetfeld einer ruhenden Ladung;129
1.10.2.3;5.2.3 Magnetische Flussdichte;131
1.10.2.4;5.2.4 Magnetischer Dipol;131
1.10.2.5;5.2.5 Magnetische Materialien;132
1.10.2.6;5.2.6 Magnetisierung;133
1.10.2.7;5.2.7 Materie im Magnetfeld;133
1.10.3;5.3 Elektromagnetismus;135
1.10.3.1;5.3.1 Überblick;135
1.10.3.2;5.3.2 Elektromagnetische Induktion Magnetischer Fluss;135
1.10.3.3;5.3.3 Wechselstrom;138
1.10.3.4;5.3.4 Widerstände im Wechselstromkreis (elektrische Impedanzen);140
1.10.3.5;5.3.5 Transformatoren;144
1.10.3.6;5.3.6 Elektromagnetischer Schwingkreis;144
1.11;6 Schwingungen und Wellen;148
1.11.1;6.1 Schwingungen;150
1.11.1.1;6.1.1 Ungedämpfte Schwingungen;150
1.11.1.2;6.1.2 Gedämpfte Schwingungen;151
1.11.1.3;6.1.3 Erzwungene Schwingungen;151
1.11.1.4;6.1.4 Überlagerung von Schwingungen;153
1.11.2;6.2 Wellen;154
1.11.2.1;6.2.1 Überblick;154
1.11.2.2;6.2.2 Eigenschaften von Wellen;154
1.11.2.3;6.2.3 Ausbreitung von Wellen;154
1.11.2.4;6.2.4 Überlagerung von Wellen Interferenz;155
1.11.2.5;6.2.5 Huygen-Prinzip;157
1.11.2.6;6.2.6 Wellengeschwindigkeit;157
1.11.2.7;6.2.7 Impedanz;158
1.11.2.8;6.2.8 Stehende Wellen;158
1.11.2.9;6.2.9 Intensität;159
1.11.3;6.3 Schallwellen;160
1.11.3.1;6.3.1 Überblick;160
1.11.3.2;6.3.2 Schallwellen;160
1.11.3.3;6.3.3 Isophone;162
1.11.3.4;6.3.4 Reflexion;162
1.11.3.5;6.3.5 Schallwahrnehmung im Ohr;163
1.11.3.6;6.3.6 Ultraschall in der Medizin;163
1.11.3.7;6.3.7 Doppler-Effekt;164
1.11.4;6.4 Elektromagnetische Wellen;165
1.12;7 Optik;168
1.12.1;7.1 Geometrische Optik;170
1.12.1.1;7.1.1 Überblick;170
1.12.1.2;7.1.2 Brechung und Reflexion Brechungsindex;170
1.12.1.3;7.1.3 Abbildungen Abbildung durch Spiegel;174
1.12.1.4;7.1.4 Linsenfehler;178
1.12.2;7.2 Wellenoptik;178
1.12.2.1;7.2.1 Einleitung;179
1.12.2.2;7.2.2 Beugung von Licht;179
1.12.2.3;7.2.3 Polarisation;181
1.12.3;7.3 Optische Instrumente;183
1.12.3.1;7.3.1 Überblick;183
1.12.3.2;7.3.2 Kamera und Auge Kamera;183
1.12.3.3;7.3.3 Vergrößerung und Verkleinerung;185
1.12.4;7.4 Quantenoptik;189
1.12.4.1;7.4.1 Welle-Teilchen-Dualismus;189
1.12.4.2;7.4.2 Photoeffekt;190
1.12.4.3;7.4.3 Lichtquellen;190
1.12.4.4;7.4.4 Wahrnehmung von Gegenständen und ihrer Farben;191
1.12.5;7.5 Lichtstärke, Beleuchtungsstärke und Schattenbildung;194
1.12.5.1;7.5.1 Überblick;194
1.12.5.2;7.5.2 Lichtstärke, Lichtstrom und Beleuch-tungsstärke;194
1.12.5.3;7.5.3 Schattenbildung;195
1.13;8 Ionisierende Strahlung;198
1.13.1;8.1 Radioaktivität;200
1.13.1.1;8.1.1 Nuklide und Radionuklide;200
1.13.1.2;8.1.2 Radioaktiver Zerfall;201
1.13.1.3;8.1.3 Radionuklide in der Medizin Therapie;205
1.13.2;8.2 Röntgenstrahlen;206
1.13.2.1;8.2.1 Einleitung;206
1.13.2.2;8.2.2 Erzeugung und Arten von Röntgenstrahlung;206
1.13.2.3;8.2.3 Röntgenröhre;207
1.13.2.4;8.2.4 Röntgenstrahlung in der Medizin;208
1.13.3;8.3 Nachweis und Wirkung ionisierender Strahlung;209
1.13.3.1;8.3.1 Überblick;209
1.13.3.2;8.3.2 Nachweis ionisierender Strahlung;209
1.13.3.3;8.3.3 Strahlenwirkung Absorption von Photonen in Materie;210
1.14;9 Anhang;214
1.14.1;9.1 Mathematische Grundlagen;215
1.14.2;9.2 Mathematische Zeichen und Symbole;217
1.14.3;9.3 Naturkonstanten und nützliche Werte;217
1.14.4;9.4 Formeln, Symbole und Einheiten;218
1.14.4.1;9.4.1 zu Kapitel 1: Grundbegriffe;218
1.14.4.2;9.4.2 zu Kapitel 2: Mechanik des Massenpunkts und der starren Körper;219
1.14.4.3;9.4.3 zu Kapitel 3: Mechanik ausgedehnter und deformierbarer Körper;220
1.14.4.4;9.4.4 zu Kapitel 4: Wärme, Löslichkeit, Diffusion;222
1.14.4.5;9.4.5 zu Kapitel 5: Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus;223
1.14.4.6;9.4.6 zu Kapitel 6: Schwingungen und Wellen;227
1.14.4.7;9.4.7 zu Kapitel 7: Optik;228
1.14.4.8;9.4.8 zu Kapitel 8: Ionisierende Strahlung;231
1.14.5;9.5 Lösungen zu den Aufgaben;232
1.14.5.1;9.5.1 Grundbegriffe;232
1.14.5.2;9.5.2 Mechanik des Massepunkts;233
1.14.5.3;9.5.3 Mechanik ausgedehnter und deformierbarer Körper;235
1.14.5.4;9.5.4 Wärme, Löslichkeit, Diffusion;236
1.14.5.5;9.5.5 Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus;238
1.14.5.6;9.5.6 Schwingungen und Wellen;238
1.14.5.7;9.5.7 Optik;239
1.14.5.8;9.5.8 Ionisierende Strahlung;240
1.14.6;Sachverzeichnis;241

Leseproben

1 Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung

Hartmut Zabel

1.1 Klinischer Fall - Nadelöhr im Herzen

Abb. 1.1 Einsetzen einer künstlichen Aortenklappe.

Das Körpergewicht ist eine Messgröße, die viele Menschen akribisch überwachen – meist aus Angst vor Übergewicht. Tatsächlich spiegelt es aber viel mehr wider als nur Essgewohnheiten und ist Medizinern häufig sogar ein diagnostisches Hilfsmittel. Patienten mit Herzschwäche oder Niereninsuffizienz können mehrere Liter Wasser im Körper einlagern. Menschen mit Tumorerkrankungen oder chronischen Infektionen hingegen verlieren häufig ungewollt Pfunde. Regelmäßige Gewichtskontrollen sind bei ihnen daher sinnvoll. Zusa5mmen mit der klinischen Symptomatik und weiteren Untersuchungen kann der Blick auf die Waage dabei helfen, Diagnosen zu stellen und Therapieerfolge zu kontrollieren.

Schwerwiegende Probleme Frau Linz kann ihren Augen kaum trauen. 112 Kilogramm! Traurig steigt sie von der Waage. Schon wieder zugenommen, ganze drei Kilo in nur ein paar Tagen. Dabei hat sie doch strikt auf ihre Ernährung geachtet. Aber auch sonst fühlt sich die 83-jährige nicht gut. Seit kurzem fällt ihr jede Bewegung schwer und auch die Luft wird öfter knapp. Gestern beim Einkaufen ist ihr so schwindelig geworden, dass sie auf dem Heimweg eine Pause einlegen musste. Die Rentnerin will wissen, was mit ihr los ist und bittet ihren Arzt um einen Hausbesuch. Bei der Untersuchung am Nachmittag bemerkt der Mediziner beim Abhören ein systolisches Herzgeräusch, das in die Halsschlagadern fortgeleitet wird. Das Atemgeräusch ist beidseitig abgeschwächt. Zudem hat Frau Linz Unterschenkelödeme. „Sie haben Wasser in der Lunge und in den Beinen. Schuld daran ist vermutlich eine Herzschwäche“, erklärt der Arzt und rät der Rentnerin, ihr Leiden in der Klinik abklären zu lassen.

Herz in Not Schon wenige Stunden später liegt die alte Dame im Echokardiografieraum des Krankenhauses. „Ihre Aortenklappe ist verengt“, sagt die Kardiologin, nachdem sie Frau Linz' Herz sonografiert hat. Die erworbene Aortenstenose ist heute der häufigste Klappenfehler. Sie entsteht meist infolge degenerativer Veränderungen und führt zu Verkalkungen mit verringerter Klappenöffnungsfläche. Die durch die Enge gesteigerte Druckbelastung des linken Ventrikels bewirkt eine Vergrößerung (Hypertrophie) des Herzmuskels. Das Herzzeitvolumen kann dadurch eine Zeit lang aufrecht erhalten werden. Mit fortschreitender Verengung nimmt die Pumpleistung des Herzens jedoch ab und Symptome der Herzschwäche treten auf: bei Linksherzinsuffizienz zum Beispiel ein Lungenödem, ein Pleuraerguss oder zerebrale Funktionsstörungen. Ist infolge des Rückstaus des Bluts aus der linken Herzkammer in die Lunge (Lungenstauung) später auch die Pumpfunktion der rechten Kammer beeinträchtigt, kommen periphere Ödeme und eine Gewichtszunahme hinzu – wie bei Frau Linz.

Wasser Marsch! Zur vorübergehenden Stabilisierung wird Frau Linz medikamentös mit Diuretika behandelt und so das Wasser aus dem Gewebe geschwemmt. Zu ihrer großen Freude verliert die Rentnerin unter der Therapie mehrere Kilogramm Gewicht und das Atmen fällt ihr zusehends leichter. „Langfristig hilft Ihnen aber nur ein Ersatz der Aortenklappe“, erklärt ihr die Klinikärztin. Drei Wochen später wird Frau Linz eine biologische Herzklappe vom Schwein eingesetzt. Diese arbeitet geräuschlos und hält zehn bis fünfzehn Jahre. Eine lebenslange Blutverdünnung, die bei künstlichen Klappen unverzichtbar ist, wird dabei nicht erforderlich. In Zukunft schaut Frau Linz halbjährlich bei ihrer Kardiologin vorbei, die die Funktion der neuen Herzklappe überprüft. Die Rentnerin achtet zudem sorgsam auf ihren Körper und misst regelmäßig Temperatur, damit sie eine eventuelle Entzündung der neuen Herzklappe rasch erkennt. Und natürlich steigt sie weiter fleißig auf die Waage, um früh zu bemerken, dass sie wieder Wasser einlagert – oder doch einfach mal ein Stück Sahnetorte zu viel gegessen hat.

1.2 Physikalische Größen und Einheiten

Lerncoach

In diesem Kapitel werden die mathematischen und physikalischen Grundlagen beschrieben, die Ihnen in diesem Buch immer wieder begegnen werden. Sie werden Ihnen vielleicht vertraut vorkommen, denn manches habe Sie wahrscheinlich bereits in der Schule kennengelernt. Verlieren Sie deshalb nicht den Mut, die Erinnerung daran wird Ihnen helfen, sich wieder hineinzufinden.

1.2.1 Überblick

Das Messen ist uns eine vertraute Sache. Wir stellen uns morgens auf die Waage, um unser Gewicht zu messen; wir schauen auf die Uhr, um nicht zu spät zum Zug zu kommen, d. h. wir messen die Zeitdifferenz zwischen Jetzt und der fahrplanmäßigen Abfahrt; wir fahren Auto und messen die Geschwindigkeit mit einem Tachometer. Bei diesen Beispielen führen wir selbst eine aktive Messung durch und verlassen uns auf die richtigen Angaben der Messinstrumente, die wir einsetzen: Waage, Uhr und Tachometer. Beim Frühstück schauen wir auf die Rückseite der Müsli-Packung, die Auskunft über Energieinhalt, Nährstoffe, Fett und Vitamine pro 100 g gibt. Hier verlassen wir uns auf die Richtigkeit der Messungen durch andere Personen und Instrumente in einem Labor. Schließlich gehen wir durch eine Tür und haben das Gefühl, dass sie hoch genug ist, sonst würden wir den Kopf einziehen, wir gehen die Treppe runter und treffen exakt die Stufen, wir treten ins Freie und stellen einen Temperaturunterschied zwischen Innen und Außen fest, und kneifen die Augen zu, da plötzlich die Helligkeit stark zugenommen hat. In allen diesen Fällen haben wir Messungen von Höhen, Temperaturen und Helligkeiten automatisch mit Hilfe unserer körpereigenen Messinstrumente durchgeführt. Der Körper ist noch mit wesentlich mehr Sensoren ausgerüstet, die uns eine tägliche sichere Navigation durch alle Widrigkeiten erlauben. Wir können Gegenstände wahrnehmen, Entfernung abschätzen, Klänge und Lautstärken unterscheiden, Gerüche riechen, Neigungen erkennen, Druck und Schmerz empfinden. Von diesen körpereigenen Sensoren bekommen wir keine genauen Messwerte geliefert, jedoch versteht es das vegetative und somatische Nervensystem sehr gut, die Messwerte an die Regelkreise und Entscheidungszentren weiter zu leiten, sodass wir auf die gegebenen Umstände richtig reagieren können. Viele der empfundenen Wahrnehmungen können auch mit Hilfe von geeigneten Messinstrumenten quantifiziert werden, wie z. B. das Fieber durch eine mit einem Thermometer messbare erhöhte Körpertemperatur. Messen gehört zu den wichtigsten Aufgaben in der medizinischen Praxis. Bevor eine Diagnose erstellt werden kann, werden üblicherweise eine ganze Reihe von physikalischen und chemischen Messungen durchgeführt: Temperatur, Puls, Blutdruck, Zahl der Leukozyten, Erythrozyten und Thrombozyten im Blut, Glucosekonzentration im Harn, etc. Bei der Therapie werden ebenfalls quantitative und messbare Angaben gemacht: Zahl von Tropfen, Spritzen von einigen Millilitern eines Medikaments, Dosis einer Bestrahlung, etc. Bei allen durchführbaren Messungen werden drei grundlegende Annahmen gemacht:

• Die zu messende Eigenschaft ist klar definiert und abgegrenzt gegen andere Eigenschaften.

• Die Messung liefert...