Table Of ContentGERTHSEN 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
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© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1960
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag OHG., Berlin . Göttingen . Heidelberg 1960
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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
