Kurzlehrbuch Physik (eBook)

Hartmut Zabel (Autor)

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2016 | 2. Auflage
252 Seiten
Georg Thieme Verlag KG
978-3-13-240031-3 (ISBN)

Infos

<p><strong>Das gesamte prüfungsrelevante Wissen für das Fach Physik - für deine Prüfungen im Semester und das Physikum</strong></p> <ul> <li>Orientiert am aktuellen Gegenstandskatalog</li> <li>Die klare Gliederung gibt eine gute Übersicht und hilft dir, dich effizient auf die Prüfung vorzubereiten</li> <li>Zahlreiche Abbildungen und Tabellen veranschaulichen den Text und erleichtern das</li> <li>Verständnis</li> <li>Tipps im Text geben nützliche Hinweise auf Stolperfallen in Prüfungen oder beim Lernen</li> <li>Übungsaufgaben mit Lösungen machen dich fit für die Prüfung </li> <li>Der ausführliche Anhang enthält Formeln und Einheiten zum schnellen Nachschlagen</li> <li>Viele klinische Hinweise machen dir deutlich, wofür du diese Grundlagen lernst</li> <li>2. Auflage: Aktualisierung der Inhalte</li> </ul> <p><br />Der komplette Inhalt ist auch online verfügbar!</p>

Inhalt

Hartmut Zabel: Kurzlehrbuch Physik 1
Auf einen Blick 2
Innentitel 4
Impressum 5
Vorwort 6
Inhalt 8
1 Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung 12
1.1 Physikalische Größen und Einheiten 14
1.1.1 Überblick 14
1.1.2 Physikalischen Größen und Einheiten 14
1.1.3 Basisgrößen und Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems 15
1.1.4 Skalare und Vektoren 16
1.1.5 Bedeutung von Differenzial und Integral 19
1.1.6 Flächen und Volumina 20
1.1.7 Definition und Einheiten von Winkeln 21
1.2 Messen und Unsicherheiten beim Messen 22
1.2.1 Überblick 23
1.2.2 Messfehler 23
1.2.3 Mittelwert und Standardabweichung 23
1.2.4 Fehlerfortpflanzung 25
1.3 Wichtige Funktionen 26
2 Mechanik des Massenpunkts und der starren Körper 32
2.1 Bewegung 34
2.1.1 Einleitung 34
2.1.2 Geschwindigkeit und Beschleunigung Geschwindigkeit 34
2.1.3 Arten der Bewegung 35
2.2 Impuls, Kraft, Drehimpuls, Drehmoment 40
2.2.1 Überblick 40
2.2.2 Impuls und Impulserhaltung 40
2.2.3 Drehimpuls und Trägheitsmoment Drehimpuls 41
2.2.4 Kraft und Arten von Kräften Die 3 Newton’schen Axiome 42
2.2.5 Reibungskräfte 45
2.2.6 Drehmoment 46
2.2.7 Bezugssysteme 50
2.3 Arbeit, Energie, Leistung 52
2.3.1 Überblick 52
2.3.2 Mechanische Arbeit 52
2.3.3 Hubarbeit und potenzielle Energie 52
2.3.4 Leistung 54
2.3.5 Vergleich Translations-/Rotationsbewegung 54
3 Mechanik ausgedehnter und deformierbarer Körper 56
3.1 Wichtige Grundlagen 58
3.1.1 Mengengrößen, bezogene Größen 58
3.1.2 Begriffsdefinitionen 58
3.1.3 Aggregatzustände 59
3.2 Aufbau der Atome und Atomkerne 60
3.2.1 Überblick 60
3.2.2 Aufbau des Atoms 60
3.2.3 Die Elektronenhülle 61
3.2.4 Der Atomkern 62
3.3 Verformung fester Körper 63
3.3.1 Zug und Druck Hooke’sches Gesetz 63
3.3.2 Hydrostatischer Druck 65
3.3.3 Scherung und Drillung 65
3.3.4 Biegung 65
3.3.5 Plastische Verformung 66
3.4 Hydrostatischer Druck 67
3.4.1 Überblick 67
3.4.2 Hydrostatischer Druck 67
3.4.3 Druckmessung 68
3.4.4 Compliance 69
3.4.5 Luftdruck und Schweredruck Luftdruck 70
3.4.6 Auftrieb 71
3.5 Kräfte an Grenzflächen 73
3.5.1 Überblick 73
3.5.2 Kohäsion und Adhäsion 73
3.5.3 Oberflächenspannung 74
3.5.4 Kapillarität 75
3.6 Strömung von Flüssigkeiten 76
3.6.1 Überblick 76
3.6.2 Laminare und turbulente Strömung 77
3.6.3 Dynamik von Flüssigkeiten 78
3.6.4 Reale Flüssigkeiten 78
4 Wärme, Löslichkeit, Diffusion 84
4.1 Temperatur 86
4.1.1 Einleitung 86
4.1.2 Temperaturmessung Temperaturskalen 87
4.1.3 Thermische Ausdehnung Ausdehnungskoeffizient 88
4.2 Wärme und Wärmekapazität 88
4.2.1 Überblick 88
4.2.2 Wärme und Wärmekapazität 89
4.2.3 Hauptsätze der Wärmelehre Thermodynamische Systeme 91
4.2.4 Wärmetransport 93
4.3 Thermodynamik von Gasen 96
4.3.1 Überblick 96
4.3.2 Allgemeine Gasgleichung 96
4.3.3 Zustandsänderungen 96
4.3.4 Gasgemische 97
4.4 Änderung des Aggregatzustands 98
4.4.1 Überblick 98
4.4.2 Phasenübergang 98
4.4.3 Sättigungsdampfdruck und Siedepunkt 99
4.5 Stoffgemische 100
4.5.1 Überblick 100
4.5.2 Molarität 100
4.5.3 Löslichkeit 100
4.5.4 Dampfdruckerniedrigung 101
4.5.5 Osmose 101
4.5.6 Diffusion 103
4.5.7 Vergleich Osmose und Diffusion 104
5 Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus 106
5.1 Elektrizität 108
5.1.1 Überblick 108
5.1.2 Elektrische Stromstärke, elektrische Ladung 108
5.1.3 Elektrisches Feld 110
5.1.4 Elektrische Spannung Elektrisches Potenzial (= elektrische Spannung) 114
5.1.5 Elektrischer Strom und elektrischer Widerstand 117
5.1.6 Elektrischer Stromkreis Einige Definitionen 119
5.1.7 Elektrizitätsleitung Festkörper 124
5.1.8 Elektrische Spannungen an Grenzflächen, Diffusionsspannungen Kontaktspannung zwischen verschiedenen Metallen 127
5.2 Magnetismus 129
5.2.1 Überblick 129
5.2.2 Magnetische Feldstärke Magnetfeld einer ruhenden Ladung 129
5.2.3 Magnetische Flussdichte 131
5.2.4 Magnetischer Dipol 131
5.2.5 Magnetische Materialien 132
5.2.6 Magnetisierung 133
5.2.7 Materie im Magnetfeld 133
5.3 Elektromagnetismus 135
5.3.1 Überblick 135
5.3.2 Elektromagnetische Induktion Magnetischer Fluss 135
5.3.3 Wechselstrom 138
5.3.4 Widerstände im Wechselstromkreis (elektrische Impedanzen) 140
5.3.5 Transformatoren 144
5.3.6 Elektromagnetischer Schwingkreis 144
6 Schwingungen und Wellen 148
6.1 Schwingungen 150
6.1.1 Ungedämpfte Schwingungen 150
6.1.2 Gedämpfte Schwingungen 151
6.1.3 Erzwungene Schwingungen 151
6.1.4 Überlagerung von Schwingungen 153
6.2 Wellen 154
6.2.1 Überblick 154
6.2.2 Eigenschaften von Wellen 154
6.2.3 Ausbreitung von Wellen 154
6.2.4 Überlagerung von Wellen Interferenz 155
6.2.5 Huygen-Prinzip 157
6.2.6 Wellengeschwindigkeit 157
6.2.7 Impedanz 158
6.2.8 Stehende Wellen 158
6.2.9 Intensität 159
6.3 Schallwellen 160
6.3.1 Überblick 160
6.3.2 Schallwellen 160
6.3.3 Isophone 162
6.3.4 Reflexion 162
6.3.5 Schallwahrnehmung im Ohr 163
6.3.6 Ultraschall in der Medizin 163
6.3.7 Doppler-Effekt 164
6.4 Elektromagnetische Wellen 165
7 Optik 168
7.1 Geometrische Optik 170
7.1.1 Überblick 170
7.1.2 Brechung und Reflexion Brechungsindex 170
7.1.3 Abbildungen Abbildung durch Spiegel 174
7.1.4 Linsenfehler 178
7.2 Wellenoptik 178
7.2.1 Einleitung 179
7.2.2 Beugung von Licht 179
7.2.3 Polarisation 181
7.3 Optische Instrumente 183
7.3.1 Überblick 183
7.3.2 Kamera und Auge Kamera 183
7.3.3 Vergrößerung und Verkleinerung 185
7.4 Quantenoptik 189
7.4.1 Welle-Teilchen-Dualismus 189
7.4.2 Photoeffekt 190
7.4.3 Lichtquellen 190
7.4.4 Wahrnehmung von Gegenständen und ihrer Farben 191
7.5 Lichtstärke, Beleuchtungsstärke und Schattenbildung 194
7.5.1 Überblick 194
7.5.2 Lichtstärke, Lichtstrom und Beleuch-tungsstärke 194
7.5.3 Schattenbildung 195
8 Ionisierende Strahlung 198
8.1 Radioaktivität 200
8.1.1 Nuklide und Radionuklide 200
8.1.2 Radioaktiver Zerfall 201
8.1.3 Radionuklide in der Medizin Therapie 205
8.2 Röntgenstrahlen 206
8.2.1 Einleitung 206
8.2.2 Erzeugung und Arten von Röntgenstrahlung 206
8.2.3 Röntgenröhre 207
8.2.4 Röntgenstrahlung in der Medizin 208
8.3 Nachweis und Wirkung ionisierender Strahlung 209
8.3.1 Überblick 209
8.3.2 Nachweis ionisierender Strahlung 209
8.3.3 Strahlenwirkung Absorption von Photonen in Materie 210
9 Anhang 214
9.1 Mathematische Grundlagen 215
9.2 Mathematische Zeichen und Symbole 217
9.3 Naturkonstanten und nützliche Werte 217
9.4 Formeln, Symbole und Einheiten 218
9.4.1 zu Kapitel 1: Grundbegriffe 218
9.4.2 zu Kapitel 2: Mechanik des Massenpunkts und der starren Körper 219
9.4.3 zu Kapitel 3: Mechanik ausgedehnter und deformierbarer Körper 220
9.4.4 zu Kapitel 4: Wärme, Löslichkeit, Diffusion 222
9.4.5 zu Kapitel 5: Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus 223
9.4.6 zu Kapitel 6: Schwingungen und Wellen 227
9.4.7 zu Kapitel 7: Optik 228
9.4.8 zu Kapitel 8: Ionisierende Strahlung 231
9.5 Lösungen zu den Aufgaben 232
9.5.1 Grundbegriffe 232
9.5.2 Mechanik des Massepunkts 233
9.5.3 Mechanik ausgedehnter und deformierbarer Körper 235
9.5.4 Wärme, Löslichkeit, Diffusion 236
9.5.5 Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus 238
9.5.6 Schwingungen und Wellen 238
9.5.7 Optik 239
9.5.8 Ionisierende Strahlung 240
Sachverzeichnis 241

Textauszug

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...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 23.3.2016
• Reihe/Serie: Kurzlehrbuch
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Studium ► 1. Studienabschnitt (Vorklinik) ► Biochemie / Molekularbiologie
• Themenwelt: Studium ► 1. Studienabschnitt (Vorklinik) ► Naturwissenschaftliche Grundlagen
• Schlagworte: Biophysik • Campus • Diffusion • Elektrizität • Elektromagnetismus • Elektromechanismus • Formeln • Grenzflächen • Grundbegriffe • Humanmedizin • Ionisierende Strahlen • Klinische Bezüge • Klinischer Bezug • Körper • Lasertechnik • Löslichkeit • Lösungswege • Magnetismus • Maßeinheiten • Mechanik • medizinischen Physik • Medizinstudium • Messen • Nuklearmedizin • Optik • Physik • Physikum • Praktikumsversuche • Prüfungsfragen • Prüfungsrelevanz • Prüfungsvorbereitung • Rechenbeispiele • Röntgen • Schwingungen • Strahlen • Strahlentherapie • Thieme • Thieme Campus • Übungsaufgaben • Vorklinik • Wärme • Wellen
• ISBN-10: 3-13-240031-9 / 3132400319
• ISBN-13: 978-3-13-240031-3 / 9783132400313