Physik fur Mediziner: Eine Einfuhrung 12. Auflage

387 Pages·2010·8.3 MB·German

by  Ulrich Harten

Springer-Lehrbuch
Ulrich Harten
Physik
für Mediziner
Eine Einführung
12., bearbeitete Aufl age
Mit 385 teilweise zweifarbigen Abbildungen, 4 Farbabbildungen
und 15 Tabellen
1 3
Prof. Dr. Ulrich Harten
Hochschule Mannheim
Windeckstr. 110
68163 Mannheim
e-mail: [email protected]
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ISBN-13 978-3-540-71706-5
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Projektmanagement: Rose-Marie Doyon, Heidelberg
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SPIN 11966487
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Gedruckt auf säurefreiem Papier 15/2117 – 5 4 3 2 1 0
V
Vorwort
Die Physik handelt von den Naturgesetzen, und die galten schon, als die Erde noch wüst und
leer war. Verstöße gegen die Naturgesetze werden nicht bestraft, sie sind gar nicht erst mög-
lich. Das gilt auch für organisches Leben und ärztliche Kunst. Herz und Lunge, Magen und
Darm, Auge, Ohr und das ganze Nervensystem, ob gesund, ob krank, agieren im Rahmen der
Naturgesetze. Ärzte ebenso.
Deshalb muss sich ein Medizinstudent, auch wenn es nicht seine Leidenschaft ist, mit
Physik befassen. Dieses Buch versucht, das Notwendige verständlich zu präsentieren, Hilfen
für das Physikpraktikum zu geben und die medizinischen Anwendungen aufzuzeigen.
Die schon in der letzten Aufl age eingeführten Praktikums-Boxen, die auf der Auswer-
tung der Anleitungen zum Physikpraktikum von rund 20 Medizinischen Fakultäten beru-
hen, sind auf gute Resonanz gestoßen. Für diese Aufl age wurden die Lerntabellen an den
Kapitelenden ausführlicher gestaltet. Neben den bewährten Übungsaufgaben wurden Ver-
ständnisfragen aufgenommen, die eine schnelle Verständniskontrolle ermöglichen sollen.
Auf der Website zum Buch www.lehrbuch-medizin.de/physik fi nden Sie weitere interessan-
te und vor allem auch prüfungsrelevante Inhalte.
Das Buch erläutert weiterhin alle im Gegenstandskatalog aufgeführten Lerninhalte. Wel-
che Sie davon in der Prüfung an Ihrer Universität tatsächlich brauchen, müssen Sie selbst
herausfi nden. Im ersten Staatsexamen wird keineswegs alles gebraucht. Im Inhaltsverzeich-
nis und an den Kapitelüberschriften habe ich die besonders physikumsrelevanten Kapitel
für Sie markiert. Die Lerntabellen, die Verständnisfragen und die leichteren Übungsaufga-
ben orientieren sich ebenfalls am Physikum. Weitere Hinweise zur Prüfungsrelevanz fi nden
sich auf der Internetseite.
Ich danke allen Lesern, die Fehlerhinweise gegeben haben. Die Betreuung dieses Buches
beim Verlag lag in den Händen von Rose-Marie Doyon und Kathrin Nühse. Ihnen gilt mein
besonderer Dank für die vielfältigen Hilfen.
Juli 2007 Ulrich Harten
VII
Biographie
Ulrich Harten
Diplom-Physiker, Dr. rer. nat., geboren 1955, Studium der Physik in Göttingen und Stuttgart,
ab 1987 Industrietätigkeit (BASF), 1993 Professor an der Hochschule Mannheim.
Physik für Mediziner
1
Einleitung: thematischer Einstieg Rechenbeispiele: schrittweise
ins Kapitel physikalische Zusammenhänge und
2
Rechnungen nachvollziehen
3
4 68 Kapitel 3 · Mechanik deformierbarer Körper
5 1 >> Einleitung Rechenbeispiel 3.1: Mensch am Draht
Der „starre Körper“ ist eine Fiktion: Auch der härtes- 7 Aufgabe. Welchen Durchmesser muss ein Kup-
te „feste Körper“ lässt sich noch verbiegen und mit ferdraht mindestens haben, wenn er ohne plasti-
2
der nötigen Gewalt auch zerbrechen. Demgegenüber sche Verformung einen Menschen tragen soll? Be-
6 Leitsystem: Orientierung passt eine Flüssigkeit ihre Form dem Gefäß an, in dem achte .Abb. 3.4.
über die Kapitel 1-9 und 3 sie sich befi ndet; sie behält aber ihr Volumen bei und 7 Lösung. Das Ende der Hooke’schen Gera-
bestimmt danach ihre Oberfl äche. Ein Gas schließlich den befi ndet sich etwa bei der Grenzspannung
7 Anhang 4 füllt (unter Laborbedingungen, nicht in astronomi- (cid:84)g = 13 · 107 N/m2. Wenn der Mensch ein Gewicht
schem Maßstab) sein Gefäß vollständig und gleichmä- von 690 N hat (entspricht 70 kg), so ergibt sich für
ßig aus. Eben weil Flüssigkeiten und Gase keine eigene die minimal erforderliche Querschnittsfl äche:
8 5 FRoörhmre bne rseitlazetinv, lleaiscshetn t sraien ssipcohr etitewrean d. uBrlcuhtk Srteriöslmauufn ugn idn Amin(cid:30)(cid:84)FGg(cid:30)5,3(cid:184)10(cid:14)6 m2(cid:30)14dm2in(cid:184)
Inhaltliche Struktur: 6 Atmung nutzen dies aus. Also ist der minimale Durchmesser
klare Gliederung durch dmin(cid:30)2,6(cid:184)10(cid:14)3 m (cid:30) 2,6 mm.
9 7
alle Kapitel
2.2 Kraft, Drehmoment, Energie
8
10 2.2.1 Kräfte ! p
Besonders wichtige
9
Inhalte: Kennzeichen des Festkörpers ist seine kristalline flüssig
fest
11 Optisch durch ! 10 Struktur. Sie verleiht ihm Formstabilität, macht
ihn aber nicht starr. Der feste Körper lässt sich
hervorgehoben elastisch (vorübergehend) oder plastisch (dauer-
11 haft) verformen. gasförmig
12 Im Kristallgitter herrscht Ordnung; jedem T
Schlüsselbegriffe sind fett 12 Gitterbaustein wird ein fester Platz zugewiesen. .Abb. 5.23. Phasendiagramm. Die Grenzkurven der drei
Kochsalz beispielsweise besteht aus elektrisch po-
Phasenbereiche treffen sich im Tripelpunkt, nur dort können
13 hervorgehoben 13 sitiv geladenen Ionen des Natriums und aus den die drei Aggregatzustände nebeneinander (im thermodyna-
negativen Ionen des Chlors. Im NaCl-Gitter sind mischen Gleichgewicht) existieren
sie so angeordnet, dass jedes Na+-Ion sechs Cl–-
14 Ionen als nächste Nachbarn hat und umgekehrt.
14 Verweise auf Abbildungen Das führt zu einer würfelförmigen Elementarzel-
und Tabellen: deutlich 15 le des Gitters, wie sie .Abb. 3.1 schematisch dar-
stellt. Sehen kann man einen solchen Würfel nicht; Klinik
herausgestellt und leicht
15 zu fi nden 16 draadzeu eisint ehra zlbue ksl eNiann. Soemineete Kr.antenlänge beträgt ge- rDee rT rPoaptifeennt naemh m„Terno“p, f“d. ieBneti Pdaiteie Ontbeenr,fl däiceh „eihn--
spannung zur äDosierung von Medikamen-
17 ten. Dabei verlässt man sich darauf, dass al-
16 le vom Schnabel der Flasche fallenden Trop-
18 Merke fheanb eznu.m Inin mdeasnt cshoe mun Mgeefdäihzrin deire-P gralekitcikhuem G rwöißrde
17 Merke: das Wichtigste auf Aggregatzustände: so die Oberfl ächenspannung bestimmt (sie-
19 5 fest: formstabil bis zur Festigkeitsgrenze he Kasten). Die Tropfengröße hängt auch ent-
den Punkt gebracht, zum 5 fl üssig: nicht form-, wohl aber volumen- scheidend vom Durchmesser des Rohres ab,
Repetieren 20 stabil aus dem die Flüssigkeit tropft. Eine Tropffl asche
18 5 gasförmig: weder form- noch volumenstabil mit beschädigtem Schnabel dosiert falsch.
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20
Klinik-Box: der äAeskulapstab
schärft den Blick für die Klinik
Navigation: Seitenzahl und
Kapitelnummer für die schnelle
Orientierung
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69
3.2 · Festkörper
Praktikum
Viskosität und Strömung (Stokes-Gesetz) – hier ist F der Anteil der Gewichts-
Es wird üblicherweise die Viskosität von Wasser und kraft, den das archimedische Prinzip (7Kap. 3.3.3)
einer höher viskosen Flüssigkeit auf zwei Arten be- den Kugeln wegen ihres Dichteüberschusses gegen- Praktikum: wichtige
stimmt: über der Flüssigkeit noch lässt. Zusammen mit der
1) Strömung durch ein Rohr und Anwenden des Ha- Formel für die Auftriebskraft ergibt sich dann: Versuche aus dem Kurs
gen-Poiseulle Gesetzes: 2(cid:184)r2(cid:184)g anschaulich dargestellt
(cid:73)(cid:30)(cid:81)8rl4(cid:37)Ip. (cid:73)(cid:30) 9(cid:184)v0 (cid:9)(cid:83)K(cid:14)(cid:83)Fl(cid:10)
wobei (cid:83)K die Dichte der Kugel und (cid:83)Fl die Dichte der
Der Radius r des durchströmten Rohrs muss sehr Flüssigkeit ist.
genau gemessen werden, den treibenden Druck (cid:37)p Rote Blutkörperchen haben Scheibchenform und
besorgt man sich als Schweredruck und den Volumen- sinken darum nach einem komplizierteren Gesetz zu
strom I misst man mit Messbecher und Stoppuhr. Boden. Man braucht es zum Glück nicht zu kennen,
um aus erhöhter Blutsenkungsgeschwindigkeit ei-
2) Fall einer Kugel. Kleine Kugeln (Radius r), sinken, ne Infektion zu diagnostizieren.
wenn sie sich gegenseitig nicht stören, mit der Ge-
schwindigkeit
F 2r2
v0(cid:30)6(cid:81)(cid:184)(cid:73)(cid:184)r(cid:30)9(cid:184)(cid:73)g(cid:184)(cid:37)(cid:83)
In Kürze
Absolute Temperatur
Soll die Temperatur direkt proportional zur mittleren kinetischen Energie der Atome sein, absolute Temperatur in Kelvin.
In Kürze: die wichtigsten
absolute Temperatur T = Temperatur in °C T: absolute Temperatur [K, Kelvin]
Formeln und Defi nitionen
+ 273,15 K
Wärme (Q) des Kapitels
Die mit der thermischen Wimmelbewegung von Atomen und Molekülen verbundene kinetische und potentielle Energie.
Q
Wärmekapazität C(cid:30)(cid:37)T C: Wärmekapazität [J/K]
Q: Wärmemenge [J, Joule]
Alles klar?
Verständnisfragen Die Verständnisfragen
werden es zeigen
1. Warum sind die größeren Knochen röhrenförmig?
2. Die horizontale Querschnittsfl äche Ihres Kopfes sei 100
cm². Wie groß ist das Gewicht der Luft über Ihrem Kopf?
Übungsaufgaben: nach
Übungsaufgaben Schwierigkeitsgrad
l1 (cid:116) leicht; (cid:116)(cid:116) mittel; (cid:116)(cid:116)(cid:116) schwer geordnete Fragen.
l2 Zur Strömung Ausführliche Lösungen
.Abb. 2.29. Arm und Bizeps. Als einarmiger Hebel: Kraft (cid:116) 10. Wie schnell strömt die Luft in Rechenbeispiel 3.7? fi nden Sie im Anhang
und Last greifen, auf die Drehachse (Ellbogengelenk) be- (cid:116)(cid:116)(cid:116) 13. Die mechanische Leistung P, die benötigt wird, um
zogen, auf der gleichen Seite an; der Hebelarm des Mus- einen Volumenstrom I durch ein Rohr zu drücken, ist P = I · (cid:37)p,
kels (l1 ~ 30 mm) ist wesentlich kleiner als der Hebelarm wobei (cid:37)p die Druckdifferenz zwischen Rohranfang und Roh-
(l2 ~ 30 cm) der Hantel rende ist. Begründen Sie das.
Über 450 Abbildungen Website:
veranschaulichen komplizierte Mehr zum Thema? Animationen, Links
und komplexe Sachverhalte unter www.lehrbuch-medizin.de/physik
www.lehrbuch-medizin/physik
Die Website zum Buch
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Lerncenter k
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7 Physik kurz zusammengefaßt im Lerncenter fi nden sich auch die
7 MC-Fragen Animationen/Links, auf die im Buch
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7 Glossar hingewiesen werden
7 Lernziele
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XI

Praktikum
Es ist wieder Praktikum, und heute
ist die Viskosität dran . . .
Formeln
* mit 12 Formeln durch die Physik
und andere nützliche Downloads
Jetzt neu:
Die aktuellen Physik-Prüfungs-
fragen des IMPP +
Antwortkommentare
ob Lernmodus oder
Prüfungssimulation, mit den
Fragen können Sie sich optimal
auf die Prüfungen vorbereiten