Physik für Mediziner: Eine Einführung PDF
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Hans-Ulrich Harten Physik für Mediziner Eine Einführung Unter Mitarbeit von H. Nägerl J. Schmidt H.-D. Schulte Vierte, überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 549, teilweise zweifarbigen Abbildungen und 2 Farbtafeln Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1980 Prof. Dr. HANS-ULRICH HARTEN Direktor des IV. Physikalischen Instituts der Universităt 3400 Gottingen, Bunsenstral3e 11-15 Mitarbeiter: Dr. HANS NXGERL IV. Physikalisches Institut der Universităt 3400 Gottingen, Bunsenstral3e 11-15 Dr. JORG SCHMIDT Physiologisches Institut der Universităt 3400 Gottingen. Humboldtallee 7 Dr. HANS-DIETER ScHULTE IV. Physikalisches Institut der Universităt 3400 Gottingen, Bunsenstral3e 11-15 ISBN 978-3-540-10315-8 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Harten, Hans-Ulrich: Physik flir Mediziner: e. Einf./Hans-U1rich Harten. Unter Mitarb. von H. Năgerl. .. - 4. Aufl. - ISBN 978-3-540-10315-8 ISBN 978-3-662-22294-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-22294-2 Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ăhnlichem Wege und der Speicherung in Daten verarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei Vervie1faltigungen fiir gewerbliche Zwecke ist gemliB §54 UrhG eine Vergiitung an den Verlag zu zahlen, de ren Hohe mit dem Verlag zu verein baren ist. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1974, 1975, 1977 and 1980 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1980 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Hande1snamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung a1s frei zu betrachten wliren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Zeichnungen: E. Neumann und J. Zerbst, Gottingen 2132/3130-543210 Vorwort zur vierten Auflage Die Physik handelt von den Naturgesetzen, und die galten schon, als die Erde noch wüst und leer war. Verstöße gegen die Natur gesetze werden nicht bestraft, sie sind gar nicht erst möglich. Das gilt auch für organisches Leben und für die ärztliche Kunst. Die Natur folgt quantitativen Gesetzen; sie braucht den Men schen nicht zu fragen, ob ihm das gefällt. Sofadosis facit venenum hat Paracelsus dazu gesagt - allein die Dosis macht das Gift. Allein die Dosis entscheidet, ob etwas Gift ist und gefährlich, ob etwas Nahrungsmittel, Medikament, Genußmittel ist und damit lebensnotwendig oder doch zumindest ungefährlich, oder ob etwas schlicht bedeutungslos ist wegen zu geringer Dosis. Deren Be stimmung aber erfordert den Umgang mit Maß und Zahl, und der macht Mühe. Die Physik betreibt ihn ganz extensiv, und darum ist ein Physikbuch nicht so leicht zu lesen wie ein Kriminalroman. Bei einer Physik für Mediziner geht es nicht nur um physikalische Tatbestände, es geht so nebenbei auch um das Denken in quan titativen Zusammenhängen. Dazu braucht man den mathemati schen Formalismus, vom Dreisatz bis zum Integral. Wer die Physik nutzen will, darf ihren Formeln nicht ausweichen. Der älteste der Verfasser kann und will seinen im Sommer 1976 verstorbenen Lehrer R. W. Pohl nicht verleugnen; das zeigen viele aus dessen Lehrbüchern übernommene Abbildungen, an denen nichts mehr zu verbessern ist. Den Anstoß, das Manuskript über haupt zu schreiben, gab Herr Dr. H. Wiebking - dazu später noch manchen guten Ratschlag. Die weitaus meisten Zeichnungen stammen von Herrn E. Neumann, insbesondere auch die neu aufgenommenen. Die Betreuung beim Verlag lag wieder in den bewährten Händen von Fräulein C. Grössl. Allen, ohne deren Hilfe dieses Buch nicht existierte, sei an dieser Stelle herzlich gedankt - vor allem jenen Lesern, die auf Fehler und Verbes serungsmöglichkeiten aufmerksam gemacht haben. Göttingen, im Sommer 1980 Die Verfasser Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Eine "Physik für Mediziner" handelt von keinen anderen Natur gesetzen als eine Physik für Physiker auch. Allenfalls kann man sich bemühen, erläuternde Beispiele vornehmlich im medizini schen Bereich zu suchen. Dem sind aber Grenzen gesetzt: Organi sches Leben entwickelt eine faszinierende Virtuosität im Umgang mit den Naturgesetzen - dem Lernenden sind einfache Beispiele dienlicher, und die finden sich nun einmal eher in der von Menschen gemachten und darum weit simpleren Technik. Das Anschauungsvermögen des Menschen hat sich an dem ent wickelt, was seinen Sinnen unmittelbar zugänglich ist. Die Natur gesetze reichen weiter und wirken in der Welt der Moleküle "un anschaulich". Das Leben klammert diese Welt nicht aus; die ihm unerläßliche Erbinformation speichert es in der molekularen Struktur der Desoxyribonukleinsäure. Als zuverlässige Brücke zur Welt des Unanschaulichen erweist sich die Mathematik. Beispielsweise läßt sich der dem menschlichen Vorstellungsvermögen unzugängliche Dualismus von Welle und Korpuskel mit Differentialgleichungen zwanglos beschreiben. Aber auch im Bereich des Anschaulichen hat die mathematische For mulierung ihren Nutzen: Sie zwingt zu klarer Einigung über den Gebrauch der verwendeten Vokabeln ! In Disziplinen, denen dieses nicht möglich ist, sind ebenso end- wie fruchtlose Debatten nur allzuoft die Folge. Wie will man auch zu einem greifbaren Resultat kommen, wenn man mit den gleichen Worten Verschie denes meint? Die Formeln der Physik verleiten manchen dazu, sie auswendig zu lernen wie die Vokabeln einer fremden Sprache. Das ist un sinnig - es gibt weit mehr Formeln, als ein vernünftiger Mensch auswendig lernen kann. Worum es geht, ist dieses: Man muß einen beobachteten oder auch nur vermuteten Zusammenhang auf jeden Fall in Form eines Graphen darstellen können und, wenn die not wendige Abstraktion auf das Wichtigste gelingt, auch in Form einer Formel. Umgekehrt muß man aus Graph und Formel den Zu sammenhang herauslesen können. Einige Hinweise zum Gebrauch dieses Buches Primär ist dies Buch als Lehrbuch geschrieben, nur in zweiter Linie läßt es sich auch als Nachschlagewerk benutzen. Am liebsten möchte es fortlaufend von vorn bis hinten gelesen werden: Nach folgende Kapitel rechnen damit, daß der Inhalt der voraufgegange nen bekannt ist. Hinweise im Text sollen auf Querverbindungen aufmerksam machen; in der Natur hängt alles mit allem zusammen, sie ist nicht in Kapitel aufgeteilt wie ein Buch. Kleingedrucktes darf der eilige Leser überschlagen, ohne gleich beftirchten zu müssen, daß er den Faden verliert oder durch's Examen fallt. Er verzichtet lediglich auf die Butter zum Brot. Was rotes Raster hervorhebt, gehört demgegenüber zum Tragenden, zum Gerippe: unverzichtbar ftir sich allein aber geradezu Symbol des Verderbens. Ein physikalisches Lehrbuch liest sich nicht so bequem wie ein flotter Roman - oder gar so diagonal wie eine Zeitung. Formeln müssen nun einmal Buchstabe für Buchstabe gelesen (und ver standen!) werden und viele Sätze Wort für Wort, manche auch zwei- und dreimal. Lernen erschöpft sich nicht im Aufnehmen vorgedruckter Gedankengänge: Es erfordert eigene Tun. Dieses anzuregen ist Sinn der eingestreuten Aufgaben. Sie sind kein Beiwerk; sie gehören zum Text und können ohne Schaden nicht ausgelassen werden. Wer sich mit diesem Buch einläßt, muß deshalb Bleistift, Papier und Taschenrechner bereitlegen. Der Rechner gilt nur, wenn er mit Logarithmen, Winkelfunktionen und Zehnerpotenzen um gehen kann; ein Rechenschieber tut es natürlich auch. Vieles in der Physik läßt sich nicht beantworten ohne die Kenntnis einzelner Natur- und Materialkonstanten. Nur wenige von ihnen sind es wert, auswendig gelernt zu werden; den Rest schlägt man nach. Was der Inhalt dieses Buches verlangt, findet sich im Anhang - dazu auch einige Erinnerungen an Bekanntes aus der Mathematik. Inhaltsverzeichnis 1. Mechanik starrer Körper 1.01 Physikalische Größen 0 1 1.02 Länge, Fläche, Volumen 0 3 1.03 Zeit 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 1004 Geschwindigkeit 0 0 0 0 9 1.05 Momentangeschwindigkeit (graphische Differentiation) 11 1.06 Bedenkliche Bezeichnungen 12 1.07 Vektoren und Skalare 0 13 1.08 Beschleunigung 14 1.09 Meßfehler 0 0 0 0 0 0 17 1.10 Kräfte 0 0 0 0 0 0 0 19 1.11 Das Grundgesetz der Mechanik 22 1.12 SI-Einheiten 0 24 1.13 Gravitation 0 0 25 1.14 Reibung 0 0 0 25 1.15 Trägheitskräfte 26 1.16 Drehbewegungeno 28 1.17 Energie 0 0 0 0 0 32 1.18 Integration 0 0 0 34 1.19 Energiesatz und Leistung 35 1.20 Hebel und Drehmoment 38 1.21 Kinetische Energie 0 41 1.22 Trägheitsmoment 43 1.23 Impuls 0 0 0 0 0 0 44 1.24 Drehimpuls 46 2. Mechanik deformierbarer Körper 2001 Struktur der Materie 48 2002 Viskoelastizität 0 0 0 0 0 0 51 2003 Festkörper 0 0 0 0 0 0 0 o 51 2004 Flüssigkeiten, hydrostatischer Druck 53 2005 Schweredruck 55 2006 Auftrieb 0 o 0 0 58 2007 Manometer 0 0 0 59 2o08 Blutdruckmessung 60 2009 Gase 0 0 0 o 0 0 61 2.10 Exponentialfunktion und Logarithmus 64 2011 Oberflächenspannung 0 66 2012 Kapillarwirkung 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 69 XII Inhaltsverzeichnis 2.13 Zähigkeit . . . 70 2.14 Laminare Strömung . 72 2.15 Turbulente Strömung. 75 2.16 Staudruck. . . . . . 77 2.17 Pumpen . . . . . . 79 3. Mechanische Schwingungen und Weilen 3.01 Oszillatoren . . . . . . . . 81 3.02 Harmonische Schwingungen . . . . 82 3.03 Gedämpfte Schwingungen . . . . . 85 3.04 Erzwungene Schwingungen - Resonanz 87 3.05 Überlagerung von Schwingungen . 88 3.06 Seilwellen . . . . . . . . . . . . . 91 3.07 Schall . . . . . . . . . . . . . . 94 3.08 Schallstärke, Lautstärke und Lautheit . 95 3.09 Schallausbreitung 97 3.10 Das Ohr . . . 99 3.11 Schallerzeugung 100 4. Wärmelehre 4.01 Temperatur . . . . . . 103 4.02 Thermische Ausdehnung 106 4.03 Das Gasgesetz . . . . . 107 4.04 Partialdruck und Partialvolumen . 108 4.05 Die Stoffmenge . . . . . . . . 109 4.06 Die Zustandsgleichung nach van der Waals 110 4.07 Thermische Bewegung 110 4.08 Wärme ...... . 113 4.09 Umwandlungswärmen 115 4.10 Schmelzwärme. . .. 115 4.11 Lösungs- und Solvationswärme 117 4.12 Verdampfung ....... . 117 4.13 Dampfdruck und Dampfdichte. 118 4.14 Luftfeuchtigkeit . . . 120 4.15 Verdampfungswärme . 121 4.16 Zustandsdiagramme 122 4.17 Diffusion . . . . . . 125 4.18 Osmose. . . . . . . 127 4.19 Absorption und Adsorption 130 4.20 Wärmeleitung und Konvektion. 131 4.21 Temperaturstrahlung . . . . . 133 4.22 Die Sonderstellung der Energieform "Wärme" 135 4.23 Der Carnotsche Kreisprozeß . 136 4.24 Entropie . . . . . . . . . . 140 4.25 Der Wärmehaushalt der Erde . 141 5. Elektrizitätslehre und Magnetismus Elektrizitätslehre 5.01 Vorbemerkung. . . . . 143 5.02 Die elektrische Spannung 144 Inhaltsverzeichnis X Ill 5.03 Der elektrische Strom . . . 146 5.04 Energie und Leistung . . . 147 5.05 Der elektrische Widerstand 148 5.06 Das Ohmsehe Gesetz . . . 151 5.07 Knotenregel und MaschenregeL 152 5.08 Resistivität . . . . . . . . . 153 5.09 Innenwiderstand . . . . . . . 154 5.10 Spannungsteiler und Kompensationsmessung 157 5.11 Die Brückenschaltung 158 5.12 Wechselspannung . . 159 5.13 Elektrisches Potential. 161 5.14 Elektrische Felder . . 163 5.15 Kugelsymmetrisches Feld 166 5.16 Stromdichte, Dielektrika 167 5.17 Der elektrische Dipohnd das Einthovensche Dreieck 168 5.18 Elektrische Ladung und Kondensator . . . . 170 5.19 Kondensatorentladung und e-Funktion . . . 172 5.20 Hoch- und Tiefpaß, Wechselstromwiderstand. 175 5.21 Die Energie des elektrischen Feldes . 179 5.22 Kräfte im elektrischen Feld 180 5.23 Zwischenbemerkung . . . . . 183 5.24 Der Millikan-Versuch. . . . . 183 5.25 Elektron und Elektronenleitung 184 5.26 Influenz. . . . . . . . . . . 186 5.27 Der Faraday-Käfig . . . . . . 188 5.28 Dielektrizitätszah1, Dipole, Austrittsarbeit 189 5.29 Elektronenröhren . . . . . . . . 191 5.30 Das Elektronvolt. . . . . . . . . 195 5.31 Ruhemasse und relativistische Masse 196 5.32 Gasentladung . . . . . . . . . . 197 5.33 Massenwirkungsgesetz und pH-Wert 199 5.34 Elektrolyte . . . . . . 201 5.35 Die Äquivalentenmenge . 205 5.36 Elektrische Unfälle . . . 206 5.37 Membranspannung. . . 208 5.38 Galvani-Spannung, galvanische Elemente 210 5.39 Thermospannung 212 5.40 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . 213 Magnetismus 5.41 Vorbemerkung. . . . . . . 215 5.42 Das magnetische Feld. . . . 215 5.43 Kraftfluß und Kraftflußdichte 219 5.44 Elektromagnete . . . 219 5.45 Kräfte im Magnetfeld . 220 5.46 Induktion . . . . 222 5.47 Wirbelströme . . 225 5.48 Transformatoren . 226 5.49 Selbstinduktion . 227 5.50 Induktiver Widerstand 229
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