Physik für Mediziner: Eine Einführung

372 Pages·1974·35.315 MB·German

by  Prof. Dr. Hans-Ulrich Harten (auth.)

Hans-Ulrich Harten
Physik für Mediziner
Eine Einführung
Unter Mitarbeit von
H. Nägerl J. Schmidt H.-D. Schulte
Mit 553, teilweise farbigen Abbildungen
und 2 Farbtafeln
Springer-Verlag Berlin
Heidelberg GmbH 1974
Prof. Dr. HANS-ULRICH HARTEN
Direktor des IV. Physikalischen Instituts
der Universität
3400 Göttingen, Bunsenstraße 11-15
Mitarbeiter:
Dr. HANS NÄGERL
IV. Physikalisches Institut der Universität
3400 Göttingen, Bunsenstraße 11-15
Dr. JÖRG SCHMIDT
Physiologisches Institut der Universität
3400 Göttingen, Humboldtallee 7
Dr. HANS-DIETER SCHULTE
IV. Physikalisches Institut der Universität
3400 Göttingen, Bunsenstraße 11-15
ISBN 978-3-540-06770-2 ISBN 978-3-662-09322-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-09322-1
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jedermann benutzt werden dürften.
© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1974.
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1974.
Library of Congress Catalog Card Number 74-6881.
Schrift: Monophoto-Times
Papier: OBOT* ScheufeIen, Oberlenningen
Umschlagentwurf: W. Eisenschink, Heidelberg
Zeichnungen: E. Neumann und J. Zerbst, Göttingen
Gestaltung und Layout: I. Oppelt, Heidelberg
Vorwort
Die Physik handelt von den Naturgesetzen und diese galten schon,
als die Erde noch wüst und leer war. Auch organisches Leben muß
ihnen folgen: Verstöße werden nicht bestraft, sie sind gar nicht erst
möglich. Eine Kenntnis der Naturgesetze garantiert gewiß noch
keine Einsicht in Lebensvorgänge, aber Unkenntnis sorgt für das
Gegenteil. Insofern hat die Approbationsordnung einigen Grund,
dem Studenten der Medizin eine gewisse Beschäftigung mit der
Physik zur Pflicht zu machen. Wie weit diese Pflicht reicht, ist in
dem vom Institut für Medizinische Prüfungsfragen in Mainz ver
öffentlichten Gegenstandskatalogfür die Fächer der Ärztlichen Vor
prüfung recht detailliert festgelegt worden. Das vorliegende Buch
deckt alle Lernziele des Kataloges ab, soweit sie die Physik be
treffen.
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-
VI Vorwort
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.
Es gehört zu den Eigentümlichkeiten der Natur, daß sie quanti
tativen Gesetzen folgt - sie braucht den Menschen nicht zu fragen,
ob ihm das gefällt. Zum quantitativen Zusammenhang aber ge
hört die Zahl; auch der Arzt darf dem Umgang mit ihr nicht aus
weichen. Solange sich die Medizin auf vergleichsweise harmlose
Medikamente beschränkte, mochten Vorschriften der Art "ein
bis zwei Tabletten pro Tag, Kindern die Hälfte" genügen; wer
aber gestörte Regelmechanismen auch nur halbwegs ersetzen will
(wie etwa ein Arzt, der einen Diabetiker "einstellt"), der muß weit
genauer arbeiten. Dabei kann eine gewisse Fertigkeit im Umgang
mit Zahlen. eine gewisse Rechenfertigkeit also, gewiß nicht scha
den. Sie ein wenig zu üben, ist ein Nebenzweck der Aufgaben in
diesem Buch.
Entstanden ist das Manuskript aus einer Vorlesung und einem
Praktikum, aus vielen Gesprächen mit Medizinern, aus der Mit
arbeit am Lernzielkatalog, aus regelmäßigen Redaktionssitzungen
zweier Jahre. Der Älteste der Verfasser kann und will nicht leug
nen, daß er ein Schüler R. W. Pohls ist; das zeigen nicht nur die
vielen von ihm übernommenen Abbildungen. Den Anstoß, das
Manuskript überhaupt zu schreiben, gab Herr Dr. H. Wiebking -
dazu später mancherlei Ratschläge. Die weitaus meisten Zeich
nun gen hat Herr E. Neumann angefertigt, andere Herr J. Zerbst,
von dem auch etliche Photographien stammen. Manche, nicht nur
auf die Schreibmaschine beschränkte Arbeit hat Frl. M.Jacobsen
übernommen. Die Betreuung beim Verlag lag in Händen von
Herrn H.Matthies und Frau I.Oppelt. Allen, ohne deren Hilfe
dieses Buch nicht hätte entstehen können, sei an dieser Stelle herz
lich gedankt.
H.-U.H.
H.N.
J.Sch.
H.-D.Sch.
Einige Hinweise zum Gebrauch
dieses Buches
Primär ist dies Buch als Lehrbuch geschrieben, nur in zweiter Linie
kann es auch als Nachschlagewerk benutzt werden. Am liebsten
möchte es von vorn bis hinten fortlaufend gelesen werden: Nach
folgende Kapitel rechnen damit, daß der Inhalt der vorhergegan
genen bekannt ist. Hinweise auf frühere Kapitel sollen helfen,
Erinnerungslücken aufzufüllen - Hinweise auf spätere Kapitel
sollen auf Querverbindungen aufmerksam machen, denjenigen ver
tröstend, der stutzig geworden ist: genauere Aufklärung folgt noch.
Kleingedrucktes darf der eilige Leser überschlagen; sich mit ihm zu beschäftigen.
wird empfohlen (auch vom Gegenstandskatalog) - es zählt aber nicht zum obliga
torischen Stoff der ärztlichen Vorprüfung.
Wa rotes Raster hervorhebt, gehört demgegenüber in jedem
Fall zum Unerläßlichen (wie auch ein Vergleich mit dem Gegen
standskatalog zeigt).
Ein physikalisches Lehrbuch liest man nicht auf dem Sofa, sondern
am Schreibtisch, Bleistift und Papier neben sich, möglichst auch
Rechenschieber, Millimeterpapier und Lineal in Reichweite. Der
Rechenschieber darf Taschenformat haben, muß aber auf jeden
Fall Skalen für die Winkelfunktionen besitzen und tunlichst auch
für die Exponentialfunktion.
Lernen er ch"pft ich nicht im Aufnehmen vorgedruckter Ge
dankengäng : E erfordert eigenes Tun. Die e anzuregen i t
der Sinn der eingestreuten Aufgaben. Sie sind kein Beiwerk; ie
gehören zum Text und können ohne chadcn nicht au gela en
werden.
Vieles in der Physik (und in den Aufgaben) läßt sich nicht beant
worten ohne die Kenntnis einzelner Natur- und Materialkonstan
ten; nur wenige von ihnen sind es wert, auswendig gelernt zu wer
den. Den Rest schlägt man nach. Alles, was die Aufgaben hier ver
langen, findet sich im Anhang - dazu auch einige Formeln aus der
Mathematik.
Inhalt sverzeichnis
1. Mechanik starrer Körper
1.01 Physikalische Größen. 1
1.02 Länge, Fläche, Volumen. 3
1.03 Zeit . . . . . . . . . 7
1.04 Geschwindigkeit. . . . 9
1.05 Momentangeschwindigkeit (graphische Differentiation) 11
1.06 Bedenkliche Bezeichnungen 12
1.07 Vektoren und Skalare. 13
1.08 Beschleunigung 14
1.09 Meßfehler. . . . . . 17
1.10 Kräfte . . . . . . . 19
1.11 Das Grundgesetz der Mechanik 22
1.12 SI-Einheiten. 24
1.13 Gravitation . . 25
1.14 Reibung . . . 25
1.15 Trägheitskräfte 26
1.16 Drehbewegungen . 28
1.17 Energie. . . . . 32
1.18 Integration . . . 34
1.19 Energiesatz und Leistung 35
1.20 Hebel und Drehmoment 38
1.21 Kinetische Energie . 41
1.22 Trägheitsmoment 43
1.23 Impuls . . . 43
1.24 Drehimpulse . . 46
2. Mechanik deformierbarer Körper
2.01 Struktur der Materie 48
2.02 Viskoelastizität . . . . . . 51
2.03 Festkörper . . . . . . . . 51
2.04 Flüssigkeiten, hydrostatischer Druck 53
2.05 Schweredruck 55
2.06 Auftrieb . . . . 58
2.07 Manometer . . . 59
2.08 Blutdruckmessung 60
2.09 Gase ..... . 61
2.10 Exponentialfunktion und Logarithmus 63
2.11 Oberflächenspannung. 65
2.12 Kapillarwirkung . . . . . . . ... 68
X Inhaltsverzeichnis
2.13 Zähigkeit . . . . . . 70
2.14 Laminare Strömung . 72
2.15 Turbulente Strömung. 75
2.16 Staudruck. 76
2.17 Pumpen . . . . . . 78
3. Mechanische Schwingungen und Wellen
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 . . . 98
3.11 Schallerzeugung 100
4. Wärmelehre
4.01 Temperatur. . . . . . 102
4.02 Thermische Ausdehnung 105
4.03 Das Gasgesetz . . . . . 106
4.04 Partialdruck und Partialvolumen . 107
4.05 Die Stoffmenge . . . . . . . . 108
4.06 Die Zustandsgleichung nach van der Waals 109
4.07 Thermische Bewegung 109
4.08 Wärme ...... . 112
4.09 Umwandlungswärmen 114
4.10 Schmelzwärme. . . . 114
4.11 Lösungs- und Solvationswärme 116
4.12 Verdampfung . . . . . . . . 116
4.13 Dampfdruck und Dampfdichte . 117
4.14 Luftfeuchtigkeit . . . 119
4.15 Verdampfungswärme. 120
4.16 Zustandsdiagramme 121
4.17 Diffusion . . . . . . 124
4.18 Osmose. . . . . . . 126
4.19 Absorption und Adsorption 129
4.20 Wärmeleitung und Konvektion. 129
4.21 Temperaturstrahlung . . . . . 131
4.22 Die Sonderstellung der Energieform "Wärme" 133
4.23 Der Carnotsche Kreisprozeß . 134
4.24 Entropie . . . . . . . . . 139
4.25 Der Wärmehaushalt der Erde 140
5. Elektrizitätslehre und Magnetismus
5.01 Vorbemerkung zur Elektrizitätslehre 142
5.02 Die elektrische Spannung . . . . . 143
Inhaltsverzeichnis XI
5.03 Der elektrische Strom. . . 145
5.04 Energie und Leistung. . . 146
5.05 Der elektrische Widerstand 147
5.06 Das Ohmsche Gesetz. . . 150
5.07 Knotenregel und Maschenregel. 151
5.08 Resistivität . . . . . . . . . 152
5.09 Innenwiderstand . . . . . . . 153
5.10 Spannungsteiler und Kompensationsmessung 156
5.11 Die Brückenschaltung 157
5.12 Wechselspannung . . 158
5.13 Elektrisches Potential. 160
5.14 Elektrische Felder . . 162
5.15 Kugelsymmetrisches Feld 165
5.16 Stromdichte, Dielektrika 166
5.17 Der elektrische Dipol,und das Einthovensche Dreieck 167
5.18 Elektrische Ladung und Kondensator. . . . 169
5.19 Kondensatorentladung und e-Funktion . . . 171
5.20 Hoch- und Tiefpaß, Wechselstromwiderstand. 174
5.21 Die Energie des elektrischen Feldes. 178
5.22 Kräfte im elektrischen Feld 179
5.23 Zwischenbemerkung . . . . . 182
5.24 Der Millikan-Versuch. . . . . 182
5.25 Elektron und Elektronenleitung 183
5.26 Influenz. . . . . . . . . . . 185
5.27 Der Faraday-Käfig. . . . . . 186
5.28 Dielektrizitätskonstante, Dipole, Austrittsarbeit 188
5.29 Elektronenröhren . . . . . . . . 190
5.30 Das Elektronvolt . . . . . . . . . 193
5.31 Ruhemasse und relativistische Masse 195
5.32 Gasentladung . . . . . . . . . . 196
5.33 Massenwirkungsgesetz und pH-Wert 198
5.34 Elektrolyte . . . . . . 200
5.35 Die Äquivalentenmenge . 204
5.36 Elektrische Unfälle. . . 205
5.37 Membranspannung . . . 207
5.38 Galvani-Spannung, galvanische Elemente 209
5.39 Thermospannung . . . . . . . 211
5.40 Halbleiter. . . . . . . . . . . 212
5.41 Vorbemerkung zum Magnetismus 214
5.42 Das magnetische Feld. . . . 214
5.43 Kraftfluß und Kraftflußdichte 218
5.44 Elektromagnete . . . 218
5.45 Kräfte im Magnetfeld. 219
5.46 Induktion. . . . 221
5.47 Wirbelströme . . 223
5.48 Transformatoren. 225
5.49 Selbstinduktion . 226
5.50 Induktiver Widerstand 228