Physik für Mediziner und Biologen:
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1. Physikalische Größen und Einheiten 3
1.1 Physikalische Größen 3
1.2 Basisgrößen und -Einheiten 5
1.3 Abgeleitete Größen und Einheiten 7
1.4 Skalare und vektorielle Größen 7
1.5 Messungen 9
1.6 Meßunsicherheiten und Fehler 11
2. Mechanik 15
2.1 Darstellung von Bewegungen (Kinematik) 15
2.1.1 Bezugssysteme, Bewegung und Massenpunkt .. 15
2.1.2 zeit ;;; n
2.1.3 Geschwindigkeit 17
2.1.4 Beschleunigung 21
2.1.5 Gleichförmige Bewegung 23
2.1.6 Gleichförmig beschleunigte Bewegung 23
2.1.7 Wurf 25
2.1.8 Drehbewegung 25
2.1.9 Harmonische Vorgänge . . . . . . . . . . . 29
2.2 Kräfte und ihre Wirkungen (Dynamik) 31
2.2.1 Kräfte und Deformation fester Körper 31
2.2.2 Gewichtskraft 31
2.2.3 Zusammensetzung von Kräften 33
2.2.4 Kräfte und geradlinige Bewegungen . .... 35
2.2.5 Energie 37
2.2.6 Energiesatz 39
2.2.7 Leistung 39
2.2.8 Impuls 4j
2.2.9 Drehbewegungen fester Körper 43
2.2.10 Zentrifugalkraft 47
2.2.11 Gravitation und Planetenbewegung ....................... 47
3. Mechanik deformierbarer Körper
und Medien 49
3.1 Deformation fester Körper. 49
3.1.1 Elastische Deformation.. 49
3.1.2 Plastische Deformation .. 51
Inhaltsverzeichnis XI
3.2 Flüssigkeiten 53
3.2.1 Schweredruck, Stempeldruck 53
3.2.2 Auftrieb 57
3.2.3 Dichtebestimmung 59
3.2.4 Reibungsfreie Flüssigkeitsbewegung 63
3.2.5 Viskosität (Zähigkeit, Innere Reibung) 65
3.2.6 Grenzflächeneffekte 71
3.3 Gase 75
3.3.1 Aerostatik 75
3.2.2 Druck und Volumen 77
3.3.3 Löslichkeit von Gasen 77
3.3.4 Strömende Gase (Aerodynamik) 77
4. Wärmelehre 79
4.1 Temperatur und Zustand der Materie 79
4.1.1 Thermischer Zustand der Materie 79
4.1.2 Temperatureinheiten und -Skalen 83
4.1.3 Allgemeines Gasgesetz 83
4.1.4 Stoffmenge 85
4.1.5 Van der Waalssche Zustandsgieichung 85
4.2 Wärme 87
4.2.1 Wärmeenergie, Kalorimetrie 87
4.2.2 Spezifische und molare Wärmekapazität 89
4.3 Aggregatzustände 91
4.3.1 Umwandlungen zwischen Aggregatzuständen 91
4.3.2 Dampfdruck, Umwandlungstemperaturen 93
4.3.3 Dampfdruck von Lösungen 95
4.3.4 Zustandsdiagramme 97
4.4 Transportvorgänge 99
4.4.1 Thermische Bewegung 99
4.4.2 Diffusion 99
4.4.3 Osmose 101
4.5 Wärmeübertragung 103
4.5.1 Wärmeleitung 103
4.5.2 Konvektion 105
4.5.3 Wärmestrahlung 105
4.6 Hauptsätze der Wärmelehre 107
4.6.1 I. Hauptsatz (Energiesatz) 107
4.6.2 II. Hauptsatz 109
4.6.3 III. Hauptsatz 109
XII Inhaltsverzeichnis
5. Mechanische Schwingungen und Wellen,
Akustik in
5.1 Schwingungen 111
5.1.1 Periodische Vorgänge 111
5.1.2 Oszillatoren Hl
5.1.3 Gedämpfte und ungedämpfte Schwingungen 115
5.1.4 Resonanz 117
5.1.5 Überlagerung von Schwingungen 119
5.2 Wellen 121
5.2.1 Wellenausbreitung 121
5.2.2 Transversale und longitudinale Wellen 121
5.3 Akustik 123
5.3.1 Bereich und Begriffe l23
5.3.2 Schallgeschwindigkeit 125
5.3.3 Interferenz von Schallwellen 125
5.3.4 Schallwahrnehmung 129
5.3.5 Doppler-Effekt 131
5.3.6 Ultraschall 131
6. Elektrizität und Magnetismus 135
6.1 Zusammenhänge am einfachen Stromkreis 135
6.1.1 Elektrischer Strom 135
6.1.2 Elektrische Spannung 137
6.1.3 Elektrische Ladung und Stromstärke 139
6.1.4 Elektrischer Widerstand, Leitwert 139
6.1.5 Elektrische Energie und Leistung 141
6.2 Magnetische und elektrische Felder (statisch) 143
6.2.1 Magnetische Felder l43
6.2.2 Elektrostatische Felder 147
6.2.3 Kondensator 149
6.2.4 Influenz 151
6.3 Stromstärke und Spannung in einfachen Anordnungen 153
6.3.1 Kontinuitätsbedingung 153
6.3.2 Ohmsches Gesetz 153
6.3.3 Kirchhoffsche Regeln 155
6.3.4 Widerstandsmessung, Wheatstonesche Brücke 157
6.3.5 Innerer Widerstand 159
6.3.6 Spannungsmessung durch Kompensation 161
6.4 Ladungstransport in Materie und im Vakuum 163
6.4.1 Spezifischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit 163
6.4.2 Metalle 165
Inhaltsverzeichnis XIII
6.4.3 Halbleiter 167
6.4.4 Elektrolyte 169
6.4.5 Ladungstransport in Gasen 173
6.4.6 Ladungstransport im Vakuum 175
6.5 Elektromagnetismus 177
6.5.1 Magnetischer Fluß, Flußdichte 177
6.5.2 Magnetische Wirkung auf bewegte Ladungen
und elektrische Ströme 177
6.5.3 Induktion 181
6.5.4 Selbstinduktion 183
6.5.5 Transformator 185
6.6 Wechselstrom und -Spannung 187
6.6.1 Momentan- und Mittelwerte 187
6.6.2 Wechselstromwiderstand 189
6.6.3 Wirk- und Scheinleistung 191
6.6.4 Drehstrom 191
6.6.5 Elektrische Geräte, Gefahren und Schutz 193
6.7 Elektrische Meßinstrumente, Elektronen-
und Ionengeräte 195
6.7.1 Meßinstrumente für Stromstärke und Spannung 195
6.7.2 Elektronen-Geräte 197
6.7.3 Elektronvolt 199
6.7.4 Massenspektrometer (-spektrograph) 199
6.8 Dielektrische Eigenschaften der Materie 201
6.8.1 Elektrische Polarisation 201
6.8.2 Dipolmoment (elektrisches) 201
6.8.3 Verschiebungspolarisation 203
6.8.4 Orientierungspolarisation 203
6.9 Magnetische Eigenschaften der Materie 205
6.9.1 Magnetische Polarisation 205
6.9.2 Diamagnetismus 205
6.9.3 Paramagnetismus 205
6.9.4 Ferromagnetismus 205
7. Elektromagnetische Schwingungen
und Wellen 207
7.1 Schwingungen 207
7.1.1 Schwingkreis 207
7.1.2 Analogien elektromagnetischer und
mechanischer Vorgänge 209
7.1.3 Einschwing- und Abklingvorgänge 211
XIV Inhaltsverzeichnis
7.1.4 Schwingungen mit konstanter Amplitude 213
7.1.5 Erzwungene Schwingungen, Resonanz 215
7.1.6 Überlagerung von Schwingungen 217
7.2 Wellen 219
7.2.1 Dipol-Schwingungen 219
7.2.2 Elektromagnetische Wellen 221
8. Optik 223
8.1 Das Gebiet der Optik 223
8.2 Geometrische Optik 225
8.2.1 Ausbreitung des Lichtes, Schatten 225
8.2.2 Reflexion 227
8.2.3 Brechung (Refraktion), Dispersion und Totalreflexion 229
8.2.4 Strahlengang bei Prisma, Linsen und planparalleler
Platte 235
8.2.5 Abbildung mittels Linsen und Spiegeln 237
8.2.6 Linsenfehler 241
8.2.7 Optische Geräte und Systeme 243
8.3 Wellenoptik 249
8.3.1 Kohärenz und Interferenz 249
8.3.2 Gitter-Interferenzen und -Spektrometer 251
8.3.3 Beugung an einzelnen Zentren 251
8.3.4 Polarisation des Lichtes 253
8.3.5 Optische Drehung und Polarimetrie 255
9. Atomistische Struktur der Materie 257
9.1 Atome 257
9.1.1 Größe und innere Struktur von Atomen 257
9.1.2 Bohrsches Atommodell 259
9.1.3 Spektren 261
9.1.4 Periodisches System der Elemente 263
9.2 Moleküle 265
9.2.1 Räumliche Struktur 265
9.2.2 Schwingungs- und Rotationsspektren 265
9.3 Kondensierte Materie 267
9.3.1 Flüssigkeiten [ 267
9.3.2 Kristalline Festkörper 267
9.4 Atomkerne 269
9.4.1 Aufbau von Atomkernen 269
9.4.2 Radioaktivität 271
Inhaltsverzeichnis XV
9.4.3 Messung von Kernstrahlung 273
9.4.4 Zerfallsgesetz 275
9.4.5 Kernumwandlungen, künstliche Radioaktivität 277
9.4.6 Kern-Energieerzeugung 279
10. Strahlung 281
10.1 Elektromagnetische Strahlung 281
10.1.1 Spektrum und Meßgrößen 281
10.1.2 Temperaturstrahlung 283
10.2 Quantenstrahlung 285
10.2.1 Das Photon 285
10.2.2 Röntgen-Strahlung 287
10.2.3 Laser 289
10.3 Strahlenwirkung in Materie 291
10.3.1 Mechanismen der Wechselwirkung energiereicher
Strahlung 291
10.3.2 Extinktion, Absorption 293
10.3.3 Strahlenwirkung, Schutz und Nutzen 297
10.3.4 Elektronen-Mikroskop 299
11. Steuerung und Regelung 301
11.1 Steuerung 301
11.2 Regelung 303
12. Information und ihre Übertragung 307
12.1 Kommunikationssysteme 307
12.2 Zeichen, Signal, Nachricht, Information, Redundanz 309
12.3 Codierung, Code 313
12.4 Nachrichten-Übermittlung 315
13. Bildgebende Diagnoseverfahren 317
13.1 Szintigraphie 317
13.2 Sonographie 319
13.3 Röntgen-Tomographie 321
13.4 Nuklearmagnetische Resonanz (NMR) 323
13.5 Kernspin-Tomographie 325
13.6 Thermographie 325
XVI Inhaltsverzeichnis
14. Mathematische Hilfsmittel 327
14.1 Winkelfunktionen 327
14.2 Potenzrechnung 331
14.3 Logarithmische Rechnung 333
14.4 Differentialrechnung 335
14.5 Integralrechnung 339
14.6 Exponentialfunktion 343
14.7 Logarithmische Funktion 345
14.8 Vektoren 347
14.9 Statistik 351
15. Tabellen 355
15.1 Physikalische Größen und Einheiten 355
15.2 Physikalische Konstanten und wichtige Werte 357
16. Lösungen der Aufgaben 358
Quellennachweis 367
Griechisches Alphabet 367
Sachverzeichnis 368
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