Einführung in das Physikalische Praktikum: Für Mediziner und zum Studium der Physik als Nebenfach PDF
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GERTHSEN I POLLERMAN N EINFüHRUNG IN DAS PHYSIKALISCHE PRAKTIKUM FUR MEDIZINER UND ZUM STUDIUM DER PHYSIK ALS NEBENFACH DRITTE ERWEITERTE AUFLAGE VON DR. RER. NAT. MAX POLLERMANN APL. PROFESSOR AN DER TECHNISCHEN HOCHSCHULE MONCHEN MIT 152 ABBILDUNGEN SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH 1960 ISBN 978-3-662-01431-8 ISBN 978-3-662-01430-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-01430-1 .Alle Rechte, insbesondere das der übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen © by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1960 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag OHG., Berlin . Göttingen . Heidelberg 1960 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften Vo rwort zur dritten Auflage Die "Einführung" wurde 1941 mit der Absicht geschrieben, das physikalische Praktikum, das wenige Jahre zuvor in den Studienplan der Mediziner eingeführt wurde, möglichst fruchtbar zu gestalten. Die Praxis hat erwiesen, daß das Buch darüber hinaus allen Studierenden von Nutzen ist, die die Physik als Nebenfach betreiben. Durch das Hinscheiden von Herrn Prof. Dr. CHRISTIAN GERTH SEN fiel dem Verfasser die Aufgabe zu, die dritte Auflage allein zu bearbeiten. Dabei war er bestrebt, den elementaren Charakter des Buches beizubehalten, der es bei Medizinern und Pharmazeuten beliebt gemacht hat. Um das Buch jedoch vielseitiger verwendbar zu machen und in manchen Gebieten das Verständnis zu ver tiefen, wurden einige Abschnitte hinzugefügt. Soweit sie für Mediziner erläßlich sind, werden sie im Kleindruck gebracht. Die Erweiterungen betreffen Versuche aus Mechanik, Wärme lehre und Elektrizitätslehre, die Einführung der Größen und Einheiten und die Behandlung der Fehler. Die Einleitungen in die geometrische Optik und in das Gebiet der Radioaktivität wurden neu geschrieben. Die elektrischen Einheiten sind dem praktischen Maßsystem (Giorgi-System) entnommen. In der Mechanik wurden bewußt C-G-S-Einheiten beibehalten, weil sie gebräuchlich bleibenl und ihre Umrechnung auf praktische Einheiten leicht und lehrreich ist. Die Gleichungen sind, soweit möglich, als Größengleichungen ge schrieben, d. h. unabhängig von der Wahl der Einheiten darge stellt. In der Praxis benutzt man jedoch häufig Berechnungsfor meln, die auf bestimmte Einheiten zugestutzt sind. Hier sind die Einheiten natürlich vorzuschreiben. In anderen Fällen werden Einheiten empfohlen, um das Verständnis zu erleichtern. Die Fehlerbetrachtung ist für ein Praktikum unerläßlich. Aus Zeitmangel läßt sie sich nicht bei allen Versuchen durchführen. Sie ist außerdem völlig wertlos, wenn sie schematisch durchge- 1 Man gibt z. B. die Dichte des Wassers zu 1 gcm-a und nicht zu 1000 kg m-a an. IV Vorwort zur zweiten Auflage führt wird. Das vorliegende Buch begnügt sich deshalb neben einer allgemeinen Vbersicht mit drei Beispielen, an denen gezeigt wird, mit welchen Fehlern man rechnen muß und wie man sie behan delt. Bei der Bearbeitung der dritten Auflage erfreute sich der Verfasser wertvoller Anregungen in Besprechungen der zweiten Auflage durch G. J oos und W. W ALOHER. Herr A. F AESSLER, Prof. an der Universität München u. Herr Dr. J. KRANZ gaben Ratschläge für die Auswahl und Behandlung des Stoffes. Die Herren F. BAUMGÄRTNER, M. OBERHOFER und eHR. REINSOH machten wich tige Verbesserungsvorschläge. Ihnen allen sei an dieser Stelle gedankt. München, im Oktober 1960. M. Pollermann Aus dem Vorwort zur zweiten Auflage Zweck und Ziel des Praktikums muß es sein, den Praktikanten mit den Methoden des physikalischen Messens bekannt zu machen, ihm eine möglichst weitgehende Kenntnis physikalischer Apparate und ihrer Handhabung zu vermitteln, die "Angst vor dem Ap parat" zu beseitigen, vor allem aber auch ihn von den gesetz mäßigen Zusammenhängen der Naturerscheinungen durch eigene Erfahrungen zu überzeugen. Daneben wird man gerne diese Vbungen dazu benutzen, in übersichtlicher Form das für den Studierenden Wichtigste zusammenzufassen, was er einerseits für seine physiologischen Studien braucht, und was ihm andererseits als Grundlage der vielseitigen Methoden der modernen physikali schen und medizinischen Technik bekannt sein muß. Aus diesem Grunde beschränkt sich das Praktikum nicht auf die Bearbeitung weniger Versuche in der Ausführlichkeit und Strenge, die vom Physikstudenten gefordert werden. Vielmehr gelingt es, ihn fast alle Aufgaben durchführen zu lassen, die in diesem Buch behandelt werden. Die dazu erforderliche Organi sation ist Folgende: vier mal zwei (oder die doppelte Zahl) Studierende werden für die Dauer des Semesters unter die Füh rung eines Assistenten gestellt. Die Versuche sind zu Serien von im allgemeinen je vier Aufgaben zusammengefaßt, die inhalt lich zusammengehören. Jede Serie wird an einem Tage bearbei tet, indem die zu ihr gehörenden Versuche von den Untergruppen (je zwei Praktikanten) in zyklischer Vertauschung ausgeführt wer den. Hierdurch wird ermöglicht, daß die Vorbesprechung durch Vorwort zur zweiten Auflage V den Assistenten mit allen Angehörigen seiner Gruppe gemein sam durchgeführt werden kann. Die Bearbeitung einer Praktikumsaufgabe ist wertlos, wenn sie ohne klare Kenntnis der ihr zugrunde liegenden physikalischen Begriffe und Gesetze erfolgt. Wir haben daher der Beschreibung der Versuche jeder Serie einen kurzen Abschnitt vorausgestellt, der die Formulierung der Begriffe und Gesetze enthält, die den Experimenten zugrunde liegen. Da der Umfang aus vielen Grün den sehr beschränkt bleiben muß, kann diese Aufgabe natürlich nicht vollständig und auch nicht immer in aller Strenge gelöst werden. Wie weit hier gegangen werden muß, wird aus lang jähriger Erfahrung geschlossen. Klare Grenzen sind nicht gegeben, und deshalb kann sich die Tätigkeit des Gruppenleiters nicht darauf beschränken, technische Anweisungen zu geben und die Ausführung und Auswertung der Versuche zu überwachen; viel mehr erwachsen ihm daneben noch erhebliche Lehraufgaben. Karlsruhe, im August 1952. ehr. Gerthsen u. M. Pollermann Inhaltsverzei chnis Die mit Sternchen • gekennzeichneten Abschnitte sind, soweit sie klein gedruckt sind, für Mediziner crläßlich. Seite Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 Größen und Einheiten. . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 *Messen und Meßfehler . . . . . . . . . . . . . . . .. 2 Die systematischen Fehler S. 3. - Die zufälligen Fehler S. 3. I. Wägung und Dichtebestimmung. . . . . . . . . 5 Die Waage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Ausführung einer Wägung S. 7 - Fehlerbestimmung bei der Wägung S. 8 Bestimmung von Dichte oder spezifischem Gewicht . . . 10 11. Schwingungen und Wellen. . . . . . . . . . . . 13 Die lineare Schwingung S. 13 - Die Drehschwingung S. 14 - Schwingungen elastischer Körper S. 16 - Der Elastizi tätsmodul S. 16 - *Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Störung S. 17 - Schwingungsdauer und Frequenz S. 18 - Messung der Frequenz einer Schwingung S. 19 - Wellen ausbreitung S. 20 - Die Kundtsche Röhre S. 23 - Die Quinckesche Röhre S. 24 111. Oberflächenspannung und innere Reibung . . . . . 26 Die Oberflächenspannung . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Die Lenardsche Bügelmethode S. 27 - Steighöhenmethode S.29 Die innere Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30' Das Kapillarviskosimeter nach Ostwald S. 32 - Die Kugel fallmethode S. 33 IV. Thermometrie und Hygrometrie . . . . . . . 34 Temperaturmessung ............... 34 Das Luftthermometer S. 35 - Thermoelemente S. 37 Hygrometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 V. Kalorimetrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Wärme S. 41 - *Messung einer Abkühlungskonstanten S. 41 - Bestimmung der spez. Wärme einer Substanz mit dem Mischungskalorimeter S. 43 - *Korrektur bei der Be stimmung der spezifischen Wärme S. 44 - Messung der Um wandlungswärme (latente Wärme) S. 46 - Energieum wandlung S. 47 - *Bestimmung des mechanischen Wärme äquivalents S. 47 - Messung des elektrischen Wärmeäqui valents S. 49 - Der Energieerhaltungssatz S. 50 Inhaltsverzeichnis VII Seite VI. Messung von Strom und Spannung 50 Die elektrischen Größen und Einheiten 50 Elektrodynamik Elektrostatik, S. 52, 54 Strommessung mit dem Voltameter . . . 55 Strommessung mit Drehspulinstrumenten . . . . 56 Spannungsmessung mit Drehspulinstrumenten S. 60 Spannungsmessung nach der Poggendorffschen Kompensations- methode. . . . . . . . . . . . . . . 61 PR Messung S. 61 Spannungsmessung mit der Potentialwaage . . . . . . . . . 62 Spannungsmessung mit dem Elektrometer S. 63 VII. Messung elektrischer Widerstände und magnetischer Größen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Widerstandsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Messung des Widerstandes aus Strom und Spannung S. 65 - Wheatstonesche Brücke S.66 - Widerstandsmessung von Elektrolyten S. 68 *Magnetische Größen . . . . . . . . . . . . . . . 70 *Messung der Anziehung eines Elektromagneten S. 71 VIII. Messungen an Wechselströmen . . . . . . . . 71 Der Wechselstrom S. 71 - Durchgang des Wechselstroms durch einen Ohmschen Widerstand S. 73 - Induktiver Widerstand S. 74 - Kapazitiver Widerstand S. 77 - Mes sung induktiver und kapazitiver Widerstände S. 77 - Elek trische Schwingungen S. 79 - Der Transformator S. 82 IX. Geometrische Optik . . . . . . . . . . . . . . 84 Das Brechungsgesetz S. 84 Linsen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Ablenkung eines Lichtstrahles durch ein Prisma S. 86 - Ab lenkung eines Lichtstrahls durch eine PlankonvexIinse S. 86 - Fokussierung durch eine PlankonvexIinse S. 87 - Ab bildung von Achsenpunkten durch eine PlankonvexIinse S. 87 -Abbildung von achsennahen Punkten durch eine Plankon vexIinse S. 88 - Abbildung durch beliebige Linsen S. 89 - Die Brennweite einer PlankonkavIinse S. 89 - Die Brenn weite einer BikonvexIinse S. 89 - Brennweite von Linsen zusammensetzungen S. 90 - Brechkraft von Linsen S. 90 - Bestimmung der Brennweite von Linsen S. 90 - Dicke Linsen S.91 Linsenfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Die sphärische Aberration S. 92 - Die chromatische Aber ration S. 92 - Der Astigmatismus S. 92 Vergrößerung eines Mikroskops. . . . . . . . . . . . . . 93 Vergrößerung S. 93 - Bestimmung der Vergrößerung eines Mikroskops S. 94 Refraktometrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 VIII Inhaltsverzeichnis Seite X. Wellenoptik .............. . 98 Lichtwellen S. 98 Wellenlängenmessung mit dem Beugungsgitter . 100 Eichung eines Prismenspektrometers 101 Polarimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . 103 XI. Photometrie .............. . 106 Die Lichtstärke S. 106 - Ausbreitung einer Strahlung S. 108 - Messung von Lichtstärken mit dem Photometer S. 108 - Photometrie farbiger Lichtquellen S. 110 - Die objektiven Methoden der Photometrie S. 111 - Messung des Absorptions· koeffizienten von Rauchglas mit der Photozelle S. 112 - Messung der Beleuchtungsstärke mit dem Photoelement S.113 XII. Röntgenstrahlung und Radioaktivität ....... 114 Röntgenstrahlen .................... 114 Erzeugung von Röntgenstrahlen S.116 - Nachweis und Messung der primären Röntgenstrahlen S. 118 - *Röntgen dosis S. 119 - Messung mit der Ionisationskammer S. 120 - *Nachweis und Messung der sekundären Röntgenstrahlen S. 123 Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Enstehung und Eigenschaften der radioaktiven Strahlen. . 126 (X·Strahlen S. 126 - ß·Strahlen S. 127 - y.Strahlen S. 127 *Größen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Zerfallskonstante Ä. und Halbwertszeit T H S. 128 - Die Ak tivität A und ihre Einheit, das Curie (C) S. 128 - Der Quan· tenfluß «P S. 128 -. Die Intensität J einer Strahlung S. 129 - Die Dosisleistung D S. 129 - Die Dosis D S. 130 - Toleranz· dosis S. 130 - Messung der y.Aktivität mit dem Elektro· meter S. 130 - Messung der y.Aktivität mit dem Zählrohr S. 131 - Messung der ß·Aktivität mit dem Zählrohr S. 133 Anhang: übersicht über die wichtigsten Größen und Einheiten. . . 135 übersicht über die wichtigsten elektro Meßgeräte und Apparate 136 Sach verzeichni s 137 Einleitung Größen und Einheiten Jede physikalische Aussage gibt einen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen. Solche sind z. B. Länge, Zeit, Masse, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, Temperatur, Wärme, elektro Ladung, Spannung und viele andere. Sie tragen alle das Merkmal, daß sie meßbar sind. D. h. jede Größe ist ausdrückbar als das x-fache einer beliebig wählbaren Größe der gleichen Art. x heißt die Maßzahl. Die Vergleichsgröße heißt Einheit. Man kann also schreiben: Größe = Maßzahl X Einheit. (1) Unter Messen versteht man die Bestimmung der Maßzahl einer bestimmten Größe zu einer bestimmten Einheit. Die Größen lassen sich durch Gleichungen miteinander ver binden und auf einige Grundgrößen zurückführen. Die Grundgrößen lassen sich nicht mehr aus Gleichungen ableiten. Sie werden jede für sich definiert und mit Hilfe eines Grundmeßverfahrens ge messen. Welche Größen man als Grundgrößen festlegen soll, ist nur eine Frage der Zweckmäßigkeit. Beschränkt man sich auf die physi kalischen Gebiete: Mechanik, Elektrodynamik, Thermodynamik und Photometrie, so ist folgende Auswahl zweckmäßig: 3 mechanische 1 elektrische 1 thermische 1 photometrische Die abgeleiteten Größen sind als Potenzprodukte der Grundgrößen darstellbar. Z. B. gilt B esc hle um.g ung = Z 't .L änQg e d t - [l . t -2] . el 1m ua ra Mit solchen Potenzprodukten stellt man die Dimension einer abgeleiteten Größe, d. h. ihre Verknüpfung mit den Grundgrößen dar und zwar unabhängig von Zahlenfaktoren, Richtungsvektoren uSW. Gerthsen-Pollermann, Physika!. Praktikum, 3. Aufl. 1
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