Verfügbarkeit: Physik für Mediziner

Physik für Mediziner: Skript zur Vorlesung

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Bibliographische Detailangaben
Hauptverfasser:	Böckmann-Barthel, Martin (VerfasserIn), Verhey, Jesko L. 1969- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Auerbach/V. Verlag Wissenschaftliche Scripten 2018
Ausgabe:	Siebente, überarbeitete Ausgabe
Schlagworte:	Physik Diagnostik Elektrizität Grundstudium Medizin Medizin Schwingungen Studium Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltstext Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	141 Seiten Illustrationen, Diagramme 30 cm, 400 g
ISBN:	9783957350909 3957350905

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adam_text	I N HALTSVERZEICH N IS 1. MATHEMATISCHE GRUNDLAGEN 1 1.1. F U N K TIO N E N .......................................................................................................................................... 1 1.1.1. BEGRIFF DER F U N K TIO N ............................................................................................................. 1 1.1.2. POTENZ-, EXPONENTIAL-UND LOGARITHM USFUNKTIONEN ........................................................... 2 1.1.3. TRIGONOMETRIE UND W INKELFUNKTIONEN................................................................................. 2 1.2. DIFFERENTIATION UND INTEGRATION.......................................................................................................... 3 1.2.1. D IFFERENTIATION....................................................................................................................... 3 1.2.2. IN TE G RA TIO N ............................................................................................................................. 4 2. GRUNDLAGEN DES MESSENS UND MODELLBILDUNG IN DER PHYSIK 5 2.1. PHYSIKALISCHE BESCHREIBUNG DER N A TU R ............................................................................................. 5 2.1.1. AXIOMATIK DER PHYSIK .......................................................................................................... 5 2.1.2. PHYSIKALISCHE METHODEN IN DEN LEBENSWISSENSCHAFTEN .................................................... 5 2.2. PHYSIKALISCHE GROESSEN UND E IN H EITEN ................................................................................................. 6 2.2.1. BASISGROESSEN............................................................................................................................. 6 2.2.2. M ASS Z AH LEN ............................................................................................................................. 8 2.3. MESSSTATISTIK UND FEHLERRECHNUNG .................................................................................................... 8 2.3.1. ARTEN VON MESSABWEICHUNGEN.............................................................................................. 8 2.3.2. STATISTISCHE M ESSUNSICHERHEITEN........................................................................................... 9 2.3.3. FEHLERFORTPFLANZUNG................................................................................................................. 10 2.3.4. KORRELATION, STATISTISCHE TESTS .............................................................................................. 10 2.3.5. GRAFISCHE DARSTELLUNG ABHAENGIGER G ROE SS E N ........................................................................... 11 3. MECHANIK STARRER KOERPER 13 3.1. KINEMATIK - BEWEGUNGSLEHRE............................................................................................................. 13 3.1.1. T RANSLATION............................................................................................................................. 15 3.1.2. KREISFOERMIGE B EW EGUNG....................................................................................................... 16 3.2. DYNAMIK ............................................................................................................................................. 17 3.2.1. NEWTONSCHE A X IO M E ............................................................................................................. 17 3.2.2. VERSCHIEDENE K R AE F T E ............................................................................................................. 17 3.2.3. TRAEGHEITSKRAEFTE, KRAEFTEGLEICHGEWICHT.................................................................................... 19 3.2.4. ARBEIT, E N E RG IE ....................................................................................................................... 19 3.2.5. LEISTUNG, KRAFTSTOSS, IMPULS .....................................................................................................20 3.3. ERHALTUNGSSAETZE DER M E C H A N IK .............................................................................................................. 20 3.3.1. ENERGIEERHALTUNGSSATZ.............................................................................................................. 20 3.3.2. IMPULSERHALTUNGSSATZ................................................................................................................. 20 3.4. ROTATION AUSGEDEHNTER K OE R P E R .............................................................................................................. 21 3.4.1. FREIHEITSGRADE, SCHWERPUNKT, GLEICHGEWICHT .........................................................................21 3.4.2. DREHMOMENT UND H E B E L ........................................................................................................... 22 3.4.3. TRAEGHEITSMOMENT, D REHIM PULS.............................................................................................. 22 3.4.4. ANALOGIEN PHYSIKALISCHER GROESSEN BEI TRANSLATION UND R OTATION.............................................23 4. MECHANIK DEFORMIERBARER KOERPER, FLUIDMECHANIK 25 4.1. AUFBAU DER M A TE RIE .................................................................................................................................25 4.1.1. BAUSTEINE DER MATERIE .............................................................................................................. 25 4.1.2. MAKROSKOPISCHE BESCHREIBUNG..................................................................................................25 4.2. STOFFMENGENBEZOGENE G R OE SS E N .............................................................................................................. 26 4.3. ELASTISCHE VERFORMUNG VON F ESTK OE RP ERN ...............................................................................................27 4.4. FLUESSIGKEITEN UND GASE, STATISCHE P ROZESSE............................................................................................ 28 4.4.1. D RU C K ............................................................................................................................................28 4.4.2. GRENZFLAECHEN, OBERFLAECHENSPANNUNG..................................................................................... 30 4.5. DYNAMIK VON FLUESSIGKEITEN UND G A SE N .............................................................................................. 31 4.5.1. INKOMPRESSIBLE FLUESSIGKEIT, KONTINUITAETSGLEICHUNG............................................................ 31 4.5.2. IDEALE FLUESSIGKEIT, BERNOULLI-GLEICHUNG...................................................................................32 4.5.3. V ISKOSITAET................................................................................................................................. 33 4.5.4. STROEMUNGSWIDERSTAND, V OLUM ENARBEIT...................................................................................... 34 4.5.5. LAMINARE UND TURBULENTE S TR OE M U N G ..................................................................................... 34 4.5.6. GESETZ VON HAGEN-POISEUILLE.................................................................................................. 35 4.5.7. MESSUNG VON STROEM UNGSGROESSEN........................................................................................... 36 5. SCHWINGUNGEN UND WELLEN 37 5.1. SCHWINGUNGEN........................................................................................................................................ 37 5.1.1. BESCHREIBUNG VON S CHW INGUNGEN............................................................................................ 37 5.1.2. ERZWUNGENE SCHWINGUNGEN, RESONANZ ............................................................................... 39 5.1.3. UEBERLAGERUNG VON S CHW INGUNGEN........................................................................................ 39 5.2. W ELLEN........................................................................................................................................................ 40 5.2.1. K E N N W E RTE .................................................................................................................................. 41 5.2.2. AUSBREITUNG VON W E LLE N ............................................................................................................ 41 5.2.3. DOPPLEREFFEKT...............................................................................................................................42 5.3. SCHALL, SCHALLFELDGROESSEN.........................................................................................................................42 5.4. GEHOER UND S TIM M E ..................................................................................................................................43 5.4.1. DAS MENSCHLICHE GEHOER ............................................................................................................43 5.4.2. H OE RA K U STIK ..................................................................................................................................44 5.4.3. HOERSTOERUNGEN...............................................................................................................................45 5.4.4. PHONATION DER S TIM M E ............................................................................................................... 46 5.5. ULTRASCHALL..................................................................................................................................................46 5.5.1. ERZEUGUNG, NACHWEIS UND AUSBREITUNG VON U LTRASCHALL ......................................................... 46 5.5.2. ULTRASCHALL IN DIAGNOSTIK UND T H E R A P IE ...................................................................................47 5.5.3. WECHSELWIRKUNG VON ULTRASCHALL MIT MATERIE, BIOLOGISCHE W IRK U N G ................................... 48 6. WAERMELEHRE 49 6.1. TEMPERATUR ALS Z U STAN D SG ROE SS E............................................................................................................... 49 6.1.1. TEMPERATURSKALEN.........................................................................................................................49 6.1.2. THERMISCHE A USDEHNUNG............................................................................................................ 50 6.2. G A S E ........................................................................................................................................................... 51 6.2.1. ZUSTANDSGLEICHUNG IDEALER G A S E .............................................................................................. 51 6.2.2. G ASGEM ISCHE............................................................................................................................... 52 6.2.3. REALE G A S E .................................................................................................................................. 52 6.2.4. KINETISCHE G A STH E O RIE ............................................................................................................... 52 6.3. WAERME ALS E N E R G IE .............................................................................................................................. 53 6.3.1. WAERMEMENGE, W AERM EKAPAZITAET............................................................................................... 53 6.3.2. K A LO RIM E TRIE........................................................................................................................... 54 6.3.3. ADIABATISCHE ZUSTANDSAENDERUNGEN........................................................................................ 55 6.3.4. DIE HAUPTSAETZE DER W AERM ELEHRE........................................................................................... 55 6.4. TRANSPORTVORGAENGE, STOFFGEM ISCHE..................................................................................................... 56 6.4.1. WAERMETRANSPORTPROZESSE........................................................................................................ 57 6.4.2. D IFFU SIO N ................................................................................................................................. 57 6.4.3. O SM O SE........................................................................................................................................ 58 6.5. PHASEN UND PHASENUEBERGAENGE.................................................................................................................. 59 6.5.1. PHASENUEBERGAENGE.........................................................................................................................60 6.5.2. D A M P FD RU C K ...............................................................................................................................61 6.5.3. LUFTFEUCHTIGKEIT............................................................................................................................61 6.5.4. DAMPFDRUCKEMIEDRIGUNG BEI L OE SU N G E N ...................................................................................62 6.5.5. ABSORPTION VON G A S E N ............................................................................................................... 62 6.6. EINIGE ANWENDUNGEN IN DER M EDIZIN....................................................................................................62 6.6.1. ZUR WAERMEBILANZ DES K OE RP E RS..................................................................................................62 6.6.2. GASVOLUMINA IN DER LUNGENFUNKTIONSDIAGNOSTIK......................................................................62 6.6.3. WIRKUNG TIEFER TEMPERATUREN AUF BIOLOGISCHES G EW EB E ......................................................... 63 7. ELEKTRIZITAETSLEHRE 65 7.1. ELEKTROSTATIK..............................................................................................................................................65 7.1.1. ELEKTRISCHES F E L D .................................................................................................................... 65 7.1.2. POTENTIAL UND SPANNUNG ........................................................................................................... 66 7.1.3. D I P O L ...........................................................................................................................................66 7.1.4. GELADENER KONDENSATOR.............................................................................................................. 67 7.1.5. POLARISATION UND INFLUENZ........................................................................................................... 68 7.1.6. AUF- UND ENTLADUNG VON KONDENSATOREN.................................................................................. 68 7.2. M EMBRANPOTENTIALE................................................................................................................................. 69 7.2.1. NERNST-GLEICHUNG........................................................................................................................69 7.2.2. MEMBRANPOTENTIAL AN Z E LLE N .....................................................................................................69 7.3. G LEICHSTROM KREIS.................................................................................................................................... 70 7.3.1. ELEKTRISCHE LEITUNG, W IDERSTAND .............................................................................................. 70 7.3.2. KIRCHHOFFSCHE GESETZE, REIHEN UND PARALLELSCHALTUNG ............................................................ 72 7.3.3. INNENWIDERSTAND VON SPANNUNGSQUELLEN.................................................................................. 74 7.4. W ECHSELSTROM KREIS................................................................................................................................. 74 7.4.1. WECHSELSPANNUNG........................................................................................................................74 7.4.2. WIDERSTAND BEI W ECHSELSTROM ..................................................................................................75 7.4.3. ELEKTRISCHE F ILTE R ........................................................................................................................75 7.5. M AG NETISM US.......................................................................................................................................... 76 7.5.1. MAGNETISCHES F E L D .................................................................................................................... 76 7.5.2. LORENTZ-KRAFT..............................................................................................................................77 7.5.3. STROMDURCHFLOSSENE L E I T E R ........................................................................................................78 7.5.4. SELBSTINDUKTION, INDUKTIVITAET.....................................................................................................78 7.5.5. TRANSFORMATOR..............................................................................................................................79 7.5.6. ELEKTROMAGNETISCHE S CHW INGUNGEN........................................................................................ 79 7.6. ELEKTRISCHE LEITUNG IN FESTKOERPERN, GASEN, F LUESSIGKEITEN .............................................................. 80 7.6.1. AUSTRITTSARBEIT IN M E TA LLE N .................................................................................................... 80 7.6.2. GLUEHEMISSION UND PHOTOEFFEKT..................................................................................................80 7.6.3. METALLE UND H A LB LE ITE R.......................................................................................................... 80 7.6.4. GASENTLADUNG.......................................................................................................................... 81 7.6.5. E LE K TRO LY TE ................................................................................................................................. 81 7.6.6. GALVANISCHE E LE M E N TE .......................................................................................................... 82 7.7. ORGANISCHE WIRKUNG UND G E FAE H RD U N G .............................................................................................. 83 8. MESS- UND REGELPROZESSE 85 8.1. MESSWERTAUFNAHME UND -VERARBEITUNG.............................................................................................. 85 8.1.1. MESSWERTAUFNEHMER (S EN SO REN ) .......................................................................................... 85 8.1.2. SIGNALUNDINFORM ATION.......................................................................................................... 86 8.2. REGELPROZESSE...................................................................................................................................... 87 8.2.1. STEUERUNG UND R EG ELU N G ....................................................................................................... 87 8.2.2. BIOLOGISCHE R EG ELK REISE....................................................................................................... 87 9. OPTIK 89 9.1. NATUR VON L I C H T ....................................................................................................................................... 89 9.2. BRECHUNG UND REFLEXION ....................................................................................................................... 90 9.2.1. L ICHTSTRAHLEN..............................................................................................................................90 9.2.2. R EFLEXION.................................................................................................................................... 90 9.2.3. OPTISCHE DICHTE, B RECHUNG........................................................................................................92 9.2.4. DISPERSION .................................................................................................................................93 9.3. OPTISCHE A B B ILD U N G EN ...........................................................................................................................93 9.3.1. BRENNWEITE UND BRECHKRAFT....................................................................................................... 93 9 . 3 . 2 . ABBILDUNG AN DUENNEN L INSEN......................................................................................................94 9.3.3. BILDKONSTRUKTION FUER DICKE LINSEN UND LINSENSYSTEME, KARDINALPUNKTE.................................96 9.3.4. OPTISCHE VERGROESSERUNG EINER LINSE ......................................................................................... 96 9.3.5. ABBILDUNGSFEHLER.........................................................................................................................97 9.4. W ELLENOPTIK...............................................................................................................................................97 9.4.1. POLARISATION.............................................................................................................................. 97 9.4.2. INTERFERENZ, BEUGUNG, K O H AEREN Z ............................................................................................... 98 9.5. M IKROSKOP..................................................................................................................................................99 9.5.1. LICHTMIKROSKOP............................................................................................................................99 9.5.2. HOCHAUFLOESENDE M IK RO SK O P IE.................................................................................................101 9.6. DAS A U G E ................................................................................................................................................ 102 9.6.1. OPTISCHE ABBILDUNG IM AUGE (DIOPTRIK)................................................................................. 102 9.6.2. FUNKTION DES AUGES .................................................................................................................102 9.6.3. AUGENFEHLER................................................................................................................................ 103 9.7. EMISSION UND ABSORPTION VON S TRAH LU N G ..............................................................................................104 9.7.1. STRAHLUNGSMESSGROESSEN..............................................................................................................104 9.7.2. LICHTMESSUNG (PHOTOM ETRIE).................................................................................................... 105 9.7.3. ABSORPTION VON STRAHLUNG, EXTINKTION VON L ICH T.....................................................................105 9.7.4. W AERM ESTRAHLUNG.......................................................................................................................106 10. ATOM- UND KERNPHYSIK 109 10.1. GRUNDANNAHMEN DER ATOMPHYSIK.......................................................................................................... 109 10.1.1. LICHT UND QUANTEN, P H O TO E FFE K T..............................................................................................109 10.1.2. ATOMARER AUFBAU, BOHRSCHES ATOMMODELL ...........................................................................109 10.2. ENTSTEHUNG VON ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG ................................................................................. 111 10.2.1. ENERGIEUEBERGAENGE.......................................................................................................................111 10.2.2. SPEKTREN ....................................................................................................................................112 10.2.3. L A S E R ..........................................................................................................................................112 10.2.4. ROENTGENSTRAHLUNG.......................................................................................................................113 10.3. A TO M K ERN ................................................................................................................................................ 115 10.3.1. AUFBAU DES A TOM KERNS............................................................................................................. 115 10.3.2. RADIOAKTIVITAET............................................................................................................................. 116 10.3.3. GESETZ DES RADIOAKTIVEN Z E RFA LLS ..............................................................................................117 10.3.4. NATUERLICHE UND KUENSTLICHE RADIOAKTIVITAET................................................................................. 118 10.4. WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN STRAHLUNG UND M ATERIE...........................................................................119 10.4.1. W ECHSELWIRKUNGSPROZESSE....................................................................................................... 119 10.4.2. SCHWAECHUNGSGESETZ....................................................................................................................120 10.5. DOSIMETRIE................................................................................................................................................ 121 10.5.1. DOSIMETRISCHE G ROE SS E N ..............................................................................................................121 10.5.2. NACHWEIS IONISIERENDER S TRA H LU N G ...........................................................................................121 11. RADIOLOGIE 125 11.1. BIOLOGISCHE WIRKUNG IONISIERENDER S TRA H LE N ..................................................................................... 125 11.1.1. W IRKPROZESSE............................................................................................................................. 125 11.1.2. STRAHLENRISIKO............................................................................................................................. 125 11.2. STRAHLENSCHUTZ..........................................................................................................................................128 11.3. STRAHLENTHERAPIE.......................................................................................................................................129 11.3.1. STRAHLENARTEN, STRAHLENQUELLEN.................................................................................................129 11.3.2. VERTEILUNG DER DOSIS IM K OE R P E R ..............................................................................................130 11.4. DIAGNOSTIK MIT BILDGEBENDEN V E RFA H RE N ..............................................................................................131 11.4.1. PLANARE A B B ILD U N G ....................................................................................................................131 11.4.2. DIGITALE B ILDAUFNAHM E............................................................................................................. 131 11.4.3. TRANSMISSIONS-TOMOGRAPHIE.................................................................................................... 132 11.5. R OENTGENDIAGNOSTIK................................................................................................................................ 133 11.5.1. PLANARE RADIOGRAPHIE.................................................................................................................133 11.5.2. COMPUTER-TOMOGRAPHIE (CT) .................................................................................................135 11.6. NUKLEARMEDIZIN......................................................................................................................................136 11.6.1. OFFENE R ADIONUKLIDE................................................................................................................136 11.6.2. SZINTIGRAPHIE, A NGER-K AM ERA................................................................................................ 136 11.6.3. EMISSIONS-COMPUTER-TOMOGRAPHIE, S P E C T .......................................................................... 137 11.6.4. POSITRONEN-EMISSIONS-TOMOGRAPHIE(PET) .......................................................................... 137 11.7. MAGNETRESONANZ-TOMOGRAPHIE.............................................................................................................138 11.7.1. PRINZIP DER KEMRESONANZ ( M R ) ............................................................................................. 138 11.7.2. TOMOGRAPHIE (M R T )................................................................................................................139 A. ANHANG: WICHTIGE GROESSEN UND KONSTANTEN 141
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