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E-Book

Kurzlehrbuch Physik

AutorHartmut Zabel
VerlagGeorg Thieme Verlag KG
Erscheinungsjahr2016
Seitenanzahl252 Seiten
ISBN9783132400313
FormatPDF/ePUB
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis33,99 EUR

Das gesamte prüfungsrelevante Wissen für das Fach Physik - für deine Prüfungen im Semester und das Physikum

  • Orientiert am aktuellen Gegenstandskatalog
  • Die klare Gliederung gibt eine gute Übersicht und hilft dir, dich effizient auf die Prüfung vorzubereiten
  • Zahlreiche Abbildungen und Tabellen veranschaulichen den Text und erleichtern das
  • Verständnis
  • Tipps im Text geben nützliche Hinweise auf Stolperfallen in Prüfungen oder beim Lernen
  • Übungsaufgaben mit Lösungen machen dich fit für die Prüfung
  • Der ausführliche Anhang enthält Formeln und Einheiten zum schnellen Nachschlagen
  • Viele klinische Hinweise machen dir deutlich, wofür du diese Grundlagen lernst
  • 2. Auflage: Aktualisierung der Inhalte


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Leseprobe

1 Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung


Hartmut Zabel

1.1 Klinischer Fall - Nadelöhr im Herzen


Abb. 1.1 Einsetzen einer künstlichen Aortenklappe.

Das Körpergewicht ist eine Messgröße, die viele Menschen akribisch überwachen – meist aus Angst vor Übergewicht. Tatsächlich spiegelt es aber viel mehr wider als nur Essgewohnheiten und ist Medizinern häufig sogar ein diagnostisches Hilfsmittel. Patienten mit Herzschwäche oder Niereninsuffizienz können mehrere Liter Wasser im Körper einlagern. Menschen mit Tumorerkrankungen oder chronischen Infektionen hingegen verlieren häufig ungewollt Pfunde. Regelmäßige Gewichtskontrollen sind bei ihnen daher sinnvoll. Zusa5mmen mit der klinischen Symptomatik und weiteren Untersuchungen kann der Blick auf die Waage dabei helfen, Diagnosen zu stellen und Therapieerfolge zu kontrollieren.

Schwerwiegende Probleme Frau Linz kann ihren Augen kaum trauen. 112 Kilogramm! Traurig steigt sie von der Waage. Schon wieder zugenommen, ganze drei Kilo in nur ein paar Tagen. Dabei hat sie doch strikt auf ihre Ernährung geachtet. Aber auch sonst fühlt sich die 83-jährige nicht gut. Seit kurzem fällt ihr jede Bewegung schwer und auch die Luft wird öfter knapp. Gestern beim Einkaufen ist ihr so schwindelig geworden, dass sie auf dem Heimweg eine Pause einlegen musste. Die Rentnerin will wissen, was mit ihr los ist und bittet ihren Arzt um einen Hausbesuch. Bei der Untersuchung am Nachmittag bemerkt der Mediziner beim Abhören ein systolisches Herzgeräusch, das in die Halsschlagadern fortgeleitet wird. Das Atemgeräusch ist beidseitig abgeschwächt. Zudem hat Frau Linz Unterschenkelödeme. „Sie haben Wasser in der Lunge und in den Beinen. Schuld daran ist vermutlich eine Herzschwäche“, erklärt der Arzt und rät der Rentnerin, ihr Leiden in der Klinik abklären zu lassen.

Herz in Not Schon wenige Stunden später liegt die alte Dame im Echokardiografieraum des Krankenhauses. „Ihre Aortenklappe ist verengt“, sagt die Kardiologin, nachdem sie Frau Linz' Herz sonografiert hat. Die erworbene Aortenstenose ist heute der häufigste Klappenfehler. Sie entsteht meist infolge degenerativer Veränderungen und führt zu Verkalkungen mit verringerter Klappenöffnungsfläche. Die durch die Enge gesteigerte Druckbelastung des linken Ventrikels bewirkt eine Vergrößerung (Hypertrophie) des Herzmuskels. Das Herzzeitvolumen kann dadurch eine Zeit lang aufrecht erhalten werden. Mit fortschreitender Verengung nimmt die Pumpleistung des Herzens jedoch ab und Symptome der Herzschwäche treten auf: bei Linksherzinsuffizienz zum Beispiel ein Lungenödem, ein Pleuraerguss oder zerebrale Funktionsstörungen. Ist infolge des Rückstaus des Bluts aus der linken Herzkammer in die Lunge (Lungenstauung) später auch die Pumpfunktion der rechten Kammer beeinträchtigt, kommen periphere Ödeme und eine Gewichtszunahme hinzu – wie bei Frau Linz.

Wasser Marsch! Zur vorübergehenden Stabilisierung wird Frau Linz medikamentös mit Diuretika behandelt und so das Wasser aus dem Gewebe geschwemmt. Zu ihrer großen Freude verliert die Rentnerin unter der Therapie mehrere Kilogramm Gewicht und das Atmen fällt ihr zusehends leichter. „Langfristig hilft Ihnen aber nur ein Ersatz der Aortenklappe“, erklärt ihr die Klinikärztin. Drei Wochen später wird Frau Linz eine biologische Herzklappe vom Schwein eingesetzt. Diese arbeitet geräuschlos und hält zehn bis fünfzehn Jahre. Eine lebenslange Blutverdünnung, die bei künstlichen Klappen unverzichtbar ist, wird dabei nicht erforderlich. In Zukunft schaut Frau Linz halbjährlich bei ihrer Kardiologin vorbei, die die Funktion der neuen Herzklappe überprüft. Die Rentnerin achtet zudem sorgsam auf ihren Körper und misst regelmäßig Temperatur, damit sie eine eventuelle Entzündung der neuen Herzklappe rasch erkennt. Und natürlich steigt sie weiter fleißig auf die Waage, um früh zu bemerken, dass sie wieder Wasser einlagert – oder doch einfach mal ein Stück Sahnetorte zu viel gegessen hat.

1.2 Physikalische Größen und Einheiten


Lerncoach

In diesem Kapitel werden die mathematischen und physikalischen Grundlagen beschrieben, die Ihnen in diesem Buch immer wieder begegnen werden. Sie werden Ihnen vielleicht vertraut vorkommen, denn manches habe Sie wahrscheinlich bereits in der Schule kennengelernt. Verlieren Sie deshalb nicht den Mut, die Erinnerung daran wird Ihnen helfen, sich wieder hineinzufinden.

1.2.1 Überblick


Das Messen ist uns eine vertraute Sache. Wir stellen uns morgens auf die Waage, um unser Gewicht zu messen; wir schauen auf die Uhr, um nicht zu spät zum Zug zu kommen, d. h. wir messen die Zeitdifferenz zwischen Jetzt und der fahrplanmäßigen Abfahrt; wir fahren Auto und messen die Geschwindigkeit mit einem Tachometer. Bei diesen Beispielen führen wir selbst eine aktive Messung durch und verlassen uns auf die richtigen Angaben der Messinstrumente, die wir einsetzen: Waage, Uhr und Tachometer. Beim Frühstück schauen wir auf die Rückseite der Müsli-Packung, die Auskunft über Energieinhalt, Nährstoffe, Fett und Vitamine pro 100 g gibt. Hier verlassen wir uns auf die Richtigkeit der Messungen durch andere Personen und Instrumente in einem Labor. Schließlich gehen wir durch eine Tür und haben das Gefühl, dass sie hoch genug ist, sonst würden wir den Kopf einziehen, wir gehen die Treppe runter und treffen exakt die Stufen, wir treten ins Freie und stellen einen Temperaturunterschied zwischen Innen und Außen fest, und kneifen die Augen zu, da plötzlich die Helligkeit stark zugenommen hat. In allen diesen Fällen haben wir Messungen von Höhen, Temperaturen und Helligkeiten automatisch mit Hilfe unserer körpereigenen Messinstrumente durchgeführt. Der Körper ist noch mit wesentlich mehr Sensoren ausgerüstet, die uns eine tägliche sichere Navigation durch alle Widrigkeiten erlauben. Wir können Gegenstände wahrnehmen, Entfernung abschätzen, Klänge und Lautstärken unterscheiden, Gerüche riechen, Neigungen erkennen, Druck und Schmerz empfinden. Von diesen körpereigenen Sensoren bekommen wir keine genauen Messwerte geliefert, jedoch versteht es das vegetative und somatische Nervensystem sehr gut, die Messwerte an die Regelkreise und Entscheidungszentren weiter zu leiten, sodass wir auf die gegebenen Umstände richtig reagieren können. Viele der empfundenen Wahrnehmungen können auch mit Hilfe von geeigneten Messinstrumenten quantifiziert werden, wie z. B. das Fieber durch eine mit einem Thermometer messbare erhöhte Körpertemperatur. Messen gehört zu den wichtigsten Aufgaben in der medizinischen Praxis. Bevor eine Diagnose erstellt werden kann, werden üblicherweise eine ganze Reihe von physikalischen und chemischen Messungen durchgeführt: Temperatur, Puls, Blutdruck, Zahl der Leukozyten, Erythrozyten und Thrombozyten im Blut, Glucosekonzentration im Harn, etc. Bei der Therapie werden ebenfalls quantitative und messbare Angaben gemacht: Zahl von Tropfen, Spritzen von einigen Millilitern eines Medikaments, Dosis einer Bestrahlung, etc. Bei allen durchführbaren Messungen werden drei grundlegende Annahmen gemacht:

  • Die zu messende Eigenschaft ist klar definiert und abgegrenzt gegen andere Eigenschaften.

  • Die Messung liefert...

Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Hartmut Zabel: Kurzlehrbuch Physik1
Auf einen Blick2
Innentitel4
Impressum5
Vorwort6
Inhalt8
1 Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung12
1.1 Physikalische Größen und Einheiten14
1.1.1 Überblick14
1.1.2 Physikalischen Größen und Einheiten14
1.1.3 Basisgrößen und Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems15
1.1.4 Skalare und Vektoren16
1.1.5 Bedeutung von Differenzial und Integral19
1.1.6 Flächen und Volumina20
1.1.7 Definition und Einheiten von Winkeln21
1.2 Messen und Unsicherheiten beim Messen22
1.2.1 Überblick23
1.2.2 Messfehler23
1.2.3 Mittelwert und Standardabweichung23
1.2.4 Fehlerfortpflanzung25
1.3 Wichtige Funktionen26
2 Mechanik des Massenpunkts und der starren Körper32
2.1 Bewegung34
2.1.1 Einleitung34
2.1.2 Geschwindigkeit und Beschleunigung Geschwindigkeit34
2.1.3 Arten der Bewegung35
2.2 Impuls, Kraft, Drehimpuls, Drehmoment40
2.2.1 Überblick40
2.2.2 Impuls und Impulserhaltung40
2.2.3 Drehimpuls und Trägheitsmoment Drehimpuls41
2.2.4 Kraft und Arten von Kräften Die 3 Newton’schen Axiome42
2.2.5 Reibungskräfte45
2.2.6 Drehmoment46
2.2.7 Bezugssysteme50
2.3 Arbeit, Energie, Leistung52
2.3.1 Überblick52
2.3.2 Mechanische Arbeit52
2.3.3 Hubarbeit und potenzielle Energie52
2.3.4 Leistung54
2.3.5 Vergleich Translations-/Rotationsbewegung54
3 Mechanik ausgedehnter und deformierbarer Körper56
3.1 Wichtige Grundlagen58
3.1.1 Mengengrößen, bezogene Größen58
3.1.2 Begriffsdefinitionen58
3.1.3 Aggregatzustände59
3.2 Aufbau der Atome und Atomkerne60
3.2.1 Überblick60
3.2.2 Aufbau des Atoms60
3.2.3 Die Elektronenhülle61
3.2.4 Der Atomkern62
3.3 Verformung fester Körper63
3.3.1 Zug und Druck Hooke’sches Gesetz63
3.3.2 Hydrostatischer Druck65
3.3.3 Scherung und Drillung65
3.3.4 Biegung65
3.3.5 Plastische Verformung66
3.4 Hydrostatischer Druck67
3.4.1 Überblick67
3.4.2 Hydrostatischer Druck67
3.4.3 Druckmessung68
3.4.4 Compliance69
3.4.5 Luftdruck und Schweredruck Luftdruck70
3.4.6 Auftrieb71
3.5 Kräfte an Grenzflächen73
3.5.1 Überblick73
3.5.2 Kohäsion und Adhäsion73
3.5.3 Oberflächenspannung74
3.5.4 Kapillarität75
3.6 Strömung von Flüssigkeiten76
3.6.1 Überblick76
3.6.2 Laminare und turbulente Strömung77
3.6.3 Dynamik von Flüssigkeiten78
3.6.4 Reale Flüssigkeiten78
4 Wärme, Löslichkeit, Diffusion84
4.1 Temperatur86
4.1.1 Einleitung86
4.1.2 Temperaturmessung Temperaturskalen87
4.1.3 Thermische Ausdehnung Ausdehnungskoeffizient88
4.2 Wärme und Wärmekapazität88
4.2.1 Überblick88
4.2.2 Wärme und Wärmekapazität89
4.2.3 Hauptsätze der Wärmelehre Thermodynamische Systeme91
4.2.4 Wärmetransport93
4.3 Thermodynamik von Gasen96
4.3.1 Überblick96
4.3.2 Allgemeine Gasgleichung96
4.3.3 Zustandsänderungen96
4.3.4 Gasgemische97
4.4 Änderung des Aggregatzustands98
4.4.1 Überblick98
4.4.2 Phasenübergang98
4.4.3 Sättigungsdampfdruck und Siedepunkt99
4.5 Stoffgemische100
4.5.1 Überblick100
4.5.2 Molarität100
4.5.3 Löslichkeit100
4.5.4 Dampfdruckerniedrigung101
4.5.5 Osmose101
4.5.6 Diffusion103
4.5.7 Vergleich Osmose und Diffusion104
5 Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus106
5.1 Elektrizität108
5.1.1 Überblick108
5.1.2 Elektrische Stromstärke, elektrische Ladung108
5.1.3 Elektrisches Feld110
5.1.4 Elektrische Spannung Elektrisches Potenzial (= elektrische Spannung)114
5.1.5 Elektrischer Strom und elektrischer Widerstand117
5.1.6 Elektrischer Stromkreis Einige Definitionen119
5.1.7 Elektrizitätsleitung Festkörper124
5.1.8 Elektrische Spannungen an Grenzflächen, Diffusionsspannungen Kontaktspannung zwischen verschiedenen Metallen127
5.2 Magnetismus129
5.2.1 Überblick129
5.2.2 Magnetische Feldstärke Magnetfeld einer ruhenden Ladung129
5.2.3 Magnetische Flussdichte131
5.2.4 Magnetischer Dipol131
5.2.5 Magnetische Materialien132
5.2.6 Magnetisierung133
5.2.7 Materie im Magnetfeld133
5.3 Elektromagnetismus135
5.3.1 Überblick135
5.3.2 Elektromagnetische Induktion Magnetischer Fluss135
5.3.3 Wechselstrom138
5.3.4 Widerstände im Wechselstromkreis (elektrische Impedanzen)140
5.3.5 Transformatoren144
5.3.6 Elektromagnetischer Schwingkreis144
6 Schwingungen und Wellen148
6.1 Schwingungen150
6.1.1 Ungedämpfte Schwingungen150
6.1.2 Gedämpfte Schwingungen151
6.1.3 Erzwungene Schwingungen151
6.1.4 Überlagerung von Schwingungen153
6.2 Wellen154
6.2.1 Überblick154
6.2.2 Eigenschaften von Wellen154
6.2.3 Ausbreitung von Wellen154
6.2.4 Überlagerung von Wellen Interferenz155
6.2.5 Huygen-Prinzip157
6.2.6 Wellengeschwindigkeit157
6.2.7 Impedanz158
6.2.8 Stehende Wellen158
6.2.9 Intensität159
6.3 Schallwellen160
6.3.1 Überblick160
6.3.2 Schallwellen160
6.3.3 Isophone162
6.3.4 Reflexion162
6.3.5 Schallwahrnehmung im Ohr163
6.3.6 Ultraschall in der Medizin163
6.3.7 Doppler-Effekt164
6.4 Elektromagnetische Wellen165
7 Optik168
7.1 Geometrische Optik170
7.1.1 Überblick170
7.1.2 Brechung und Reflexion Brechungsindex170
7.1.3 Abbildungen Abbildung durch Spiegel174
7.1.4 Linsenfehler178
7.2 Wellenoptik178
7.2.1 Einleitung179
7.2.2 Beugung von Licht179
7.2.3 Polarisation181
7.3 Optische Instrumente183
7.3.1 Überblick183
7.3.2 Kamera und Auge Kamera183
7.3.3 Vergrößerung und Verkleinerung185
7.4 Quantenoptik189
7.4.1 Welle-Teilchen-Dualismus189
7.4.2 Photoeffekt190
7.4.3 Lichtquellen190
7.4.4 Wahrnehmung von Gegenständen und ihrer Farben191
7.5 Lichtstärke, Beleuchtungsstärke und Schattenbildung194
7.5.1 Überblick194
7.5.2 Lichtstärke, Lichtstrom und Beleuch-tungsstärke194
7.5.3 Schattenbildung195
8 Ionisierende Strahlung198
8.1 Radioaktivität200
8.1.1 Nuklide und Radionuklide200
8.1.2 Radioaktiver Zerfall201
8.1.3 Radionuklide in der Medizin Therapie205
8.2 Röntgenstrahlen206
8.2.1 Einleitung206
8.2.2 Erzeugung und Arten von Röntgenstrahlung206
8.2.3 Röntgenröhre207
8.2.4 Röntgenstrahlung in der Medizin208
8.3 Nachweis und Wirkung ionisierender Strahlung209
8.3.1 Überblick209
8.3.2 Nachweis ionisierender Strahlung209
8.3.3 Strahlenwirkung Absorption von Photonen in Materie210
9 Anhang214
9.1 Mathematische Grundlagen215
9.2 Mathematische Zeichen und Symbole217
9.3 Naturkonstanten und nützliche Werte217
9.4 Formeln, Symbole und Einheiten218
9.4.1 zu Kapitel 1: Grundbegriffe218
9.4.2 zu Kapitel 2: Mechanik des Massenpunkts und der starren Körper219
9.4.3 zu Kapitel 3: Mechanik ausgedehnter und deformierbarer Körper220
9.4.4 zu Kapitel 4: Wärme, Löslichkeit, Diffusion222
9.4.5 zu Kapitel 5: Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus223
9.4.6 zu Kapitel 6: Schwingungen und Wellen227
9.4.7 zu Kapitel 7: Optik228
9.4.8 zu Kapitel 8: Ionisierende Strahlung231
9.5 Lösungen zu den Aufgaben232
9.5.1 Grundbegriffe232
9.5.2 Mechanik des Massepunkts233
9.5.3 Mechanik ausgedehnter und deformierbarer Körper235
9.5.4 Wärme, Löslichkeit, Diffusion236
9.5.5 Elektrizität, Magnetismus und Elektromagnetismus238
9.5.6 Schwingungen und Wellen238
9.5.7 Optik239
9.5.8 Ionisierende Strahlung240
Sachverzeichnis241

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