Physik für Mediziner

Eine Ausbildung in Physik gehört seit langem zum vorklinisch-medizinischen wie zum biologischen Studium. Das hat mehrere Gründe. Physikalische Vorgänge sind elementare Bestandteile der Natur- und Lebensvorgänge, die Gewinnung wissen­ schaftlicher Erkenntnisse und der wissenschaftliche Fortschritt in diesen Disziplinen setzen Grundkenntnisse der Physik voraus. Physikalische Methoden sind die Grundlagen vieler Laboruntersuchungen im gesamten biologisch-medizinischen Bereich, und ohne die Kenntnis physikalischer Erscheinungen und Effekte, ohne die Anwendung physikalischer Entwicklungen -etwa auf den Gebieten der Röntgenstrah­ lung, der Radioaktivität, des Ultraschalls, der Elektronenmikroskopie, der Registrie­ rung von Biosignalen - sind viele Bereiche biologisch-medizinischer Praxis nicht mehr denkbar. Das vorliegende Buch ist aus Vorlesungen entstanden, die die Verfasser an ihren Hochschulen speziell für angehende Mediziner gehalten haben und die auf deren be­ sondere Bedürfnisse abgestellt waren: durch geeignete Stoffauswahl, durch Betonung medizinischer Aspekte sowie durch Beispiele und Rechenaufgaben, die ans Quanti­ tative heranführen. So will dieses Buch dem Leser Einsicht in die Verknüpfung der Physik mit biologisch-medizinischen Teilbereichen geben und ein Gefühl für die dabei vorkommenden Größenordnungen vermitteln. Dabei mußte der Versuchung widerstanden werden, Physiologie anstelle von Physik zu lehren; das Buch ist ein Lehrbuch der Physik, das der Methode der Physik folgt und vom experimentell erarbeiteten und mit Worten beschriebenen Sachverhalt zum exakt definierten Begriff kommt, mit solchen Begriffen Gesetze formuliert, die mit Hilfe der Regeln der Mathematik die Berechnung von Quantitäten ermöglichen. Wir wollten dabei nicht auf Differential-und Integralrechnung verzichten, die ja zum gesicherten Bestand gymnasialer Schulbildung zählt.

1 Methode der Physik: beobachten und schließen.- 2 Raum und Zeit.- 2.1 Physikalische Größe; Länge und Längeneinheit.- 2.2 Praktische Längenmessung.- 2.3 Ausmessung des Raumes; Koordinatensystem.- 2.4 Flächen- und Rauminhalt.- 2.5 Ebener und räumlicher Winkel (Raumwinkel).- 2.6 Zeit und Frequenz.- 3 Grundbegriffe der Mechanik.- 3.1 Geradlinige Bewegung, Geschwindigkeit und Beschleunigung.- 3.1.1 Geschwindigkeit.- 3.1.2 Schreibende Meßgeräte.- 3.1.3 Beschleunigung.- 3.1.4 Beschleunigung des freien Falls.- 3.2 Bewegung in der Ebene.- 3.2.1 Bahnkurve, Geschwindigkeitsvektor, Addition von Vektoren.- 3.2.2 Kreisbewegung als Spezialfall.- 3.3 Bewegung im Raum.- 3.4 Ergänzungen.- 3.4.1 Der gekrümmte Raum.- 3.4.2 Raum-Zeit-Kontinuum, hohe Geschwindigkeiten.- 3.5 Kraft und Masse.- 3.5.1 Ursachen von Beschleunigung und Trägheit.- 3.5.2 Wechselwirkung, actio = reactio.- 3.5.3 Drehmoment, Kräfte bei der Kreisbewegung.- 3.6 Beispiele für die „Trägheit der Materie“.- 3.7 Schwerelosigkeit.- 4 Größen- und Einheitensysteme.- 4.1 Basisgrößen und Basiseinheiten.- 4.2 Bezogene Größen.- 4.3 Ergänzung: Centimeter-Gramm-Sekunde (c-g-s)-System und technisches Einheitensystem.- 4.4 Unsaubere Größenbezeichnungen.- 5 Grundlagen der Struktur der Materie.- 5.1 Eigenschaften und Formen der Materie.- 5.1.1 Feste Körper.- 5.1.2 Flüssigkeiten.- 5.1.3 Gase.- 5.2 Atome und Moleküle.- 5.3 Atome und Atomkerne.- 5.4 Aufbau der zusammenhängenden Materie.- 5.5 Stoffmenge.- 5.5.1 Einfache Mengengrößen.- 5.5.2 Mengenbezogene Größen.- Stoffmengenbezogene Größen oder molare Größen — Volumenbezogene Größe oder „Dichte“ — Massenbezogene oder spezifische Größen.- 5.5.3 Stoffgemische.- Relative Häufigkeit der Teilchen — Anteil (Gehalt) der Komponenten im Gemisch — Konzentration der Komponenten im Gemisch — Molalität — Einige Ergänzungen.- 6 Körper und Materie im mechanischen Gleichgewicht.- 6.1 Gleichgewicht, Kräfteaddition und Kräftezerlegung.- 6.2 Schwerpunkt, Massenmittelpunkt, Standfestigkeit.- 6.3 Dehnung und Scherung fester Stoffe.- 6.3.1 Dehnung.- 6.3.2 Scherung.- 6.3.3 Elastische Beanspruchung der Materie (Spannungszustand).- Beispiele des Spannungs-Dehnungs-Zustandes im menschlichen Körper — Muskeln als aktiv elastische Stoffe — Dehnung von Gefäßwandungen.- 6.4 Flüssigkeiten.- 6.4.1 Druck, Stempeldruck, Kompressibilität.- 6.4.2 Schweredruck, Auftrieb, Flüssigkeitsmanometer.- 6.4.3 Druckgefälle in der rotierenden Flüssigkeit einer Zentrifuge.- 6.5 Gase.- 6.5.1 Kompressibilität.- 6.5.2 Druckmessung.- 6.5.3 Schweredruck, Luftdruck in der Erdatmosphäre.- 7 Wechselwirkungen und Felder.- 7.1 Übersicht; einige Arten von Kräften.- 7.2 Gravitationskraft.- 7.2.1 Gravitationsgesetz.- 7.2.2 Kraftfeld, Feldstärke.- 7.3 Elektrische Kräfte.- 7.3.1 Elektrische Ladung.- 7.3.2 Elektrische Leiter, elektrisches Netz und elektrische Ladung.- 7.3.3 Elektrisches Feld, Coulomb-Gesetz.- 7.3.4 Elektrisches Feld der Punktladung und des elektrischen Dipols.- 7.3.5 Elektrische Wechselwirkung im atomaren und molekularen Bereich.- Atomhülle — Chemische Bindungskräfte — Bindung in festen Stoffen —Dipolkräfte.- 7.4 Magnetische Kräfte.- 7.5 Lernkraft.- 7.6 Arbeit, Energie und Leistung.- 7.6.1 Arbeit in der Mechanik.- Hubarbeit im Schwerefeld — Spannarbeit bei elastischen Federn — Beschleunigungsarbeit.- 7.6.2 Leistung.- 7.6.3 Energie.- Energiesatz der Mechanik — Energieinhalt des gespannten Muskels — Reibung zwischen festen Körpern — Fahrrad-Ergometer zur Leistungsmessung.- 7.6.4 Arbeit im elektrischen Feld, Spannung und Potential.- Elektrische Spannung im Feld der Punktladung und des Dipols — Energie; Elektronenvolt als Energieeinheit.- 7.6.5 Energieinhalt der Stoffe: Bindungsenergie, chemische Energie.- Atome — Moleküle — Chemische Energie — Brennwert der Stoffe.- 7.6.6 Energie aus Atomkernen.- 7.7 Ergänzung: Impuls und Drehimpuls.- 7.7.1 Impuls.- 7.7.2 Drehenergie.- 7.7.3 Drehimpuls.- 8 Thermische Energie (Wärme).- 8.1 Wärme gleich ungeordnete (thermische) Energie.- 8.2 Temperaturmessung, Temperaturskalen.- 8.2.1 Thermometrie.- 8.2.2 Flüssigkeitsthermometer.- 8.2.3 Andere Temperaturskalen.- 8.2.4 Andere Thermometer.- Widerstands-Thermometer — Thermoelement-Thermometer — Strahlungsmesser als Thermometer.- 8.2.5 Temperatur des menschlichen Körpers.- 8.3 Stoffe bei Änderung der Temperatur (Thermische Zustandsgleichung).- 8.3.1 Feste Stoffe.- 8.3.2 Flüssigkeiten.- 8.3.3 Gase.- 8.3.4 Gasgemische.- 8.4 Diffusion.- 8.4.1 Diffusion als kinetischer Vorgang.- 8.4.2 Lösungen und Gasaufnahme in Flüssigkeiten.- 8.4.3 Osmotischer Druck.- 8.5 Änderungen der thermischen Energie.- 8.5.1 Änderung der thermischen Energie eines Körpers durch Wärmeaustausch.- 8.5.2 Spezifische und molare Wärmekapazität der Stoffe.- 8.5.3 Messung von Wärmemengen: Kalorimetrie.- 8.6 Allgemeiner Energiesatz: erster Hauptsatz der Thermodynamik.- 8.7 Einige thermodynamische Prozesse; Carnot-Prozeß und thermodynamische Temperatur.- 8.7.1 Isotherme Prozesse.- 8.7.2 Adiabatische Prozesse.- 8.7.3 Innere Energie U und Enthalpie H.- 8.7.4 Biologische Prozesse.- 8.7.5 Carnot-Prozeß und thermodynamische Temperatur.- 8.8 Entropie, zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.- 8.8.1 Entropie.- 8.8.2 Reversible und irreversible Vorgänge.- 8.8.3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.- 8.8.4 Stabilität.- 8.9 Wärmeaustausch durch Wärmeleitung und Konvektion.- 8.9.1 Wärmeleitung und Konvektion.- 8.9.2 Wärmetransport im Gegenstrom.- 8.10 Schmelzen, Sieden, Verdampfen: Änderung des Aggregatzustandes.- 8.10.1 Erwärmungsdiagramm, Haltepunkte der Temperatur.- 8.10.2 Dampfdruck und Verdampfungswärme.- 8.10.3 Luftfeuchtigkeit.- 8.10.4 Gefrierpunkterniedrigung, Siedepunkterhöhung und Dampfdruckerniedrigung bei Zweistoffsystemen mit einer nichtflüchtigen Komponente.- Siedepunkt, Tripelpunkt, Erstarrungspunkt reiner Stoffe — Siedepunkterhöhung, Gefrierpunkterniedrigung.- 8.10.5 Gefriertrocknung.- 8.10.6 Tiefe Temperaturen.- 9 Strömungsvorgänge.- 9.1 Strömung fluider Medien.- 9.1.1 Stromstärke, Stromdichte, Kontinuitätsgleichung.- 9.1.2 Bernoullisches Strömungsgesetz für reibungsfreie Strömungen.- 9.1.3 Dynamische Viskosität (Zähigkeit, innere Reibung) fluider Stoffe.- 9.1.4 Strömung durch Rohre, Hagen-Poiseuillesches Gesetz.- 9.1.5 Strömungswiderstand, Strömungen in verzweigten Systemen.- 9.1.6 Sedimentation.- 9.1.7 Turbulenz.- 9.1.8 Strömungen im Gefäßsystem des menschlichen Körpers.- Herzarbeit — Strömung und Druckabfall — Messung des Blutdrucks.- 9.1.9 Zwei weitere Anwendungen der Strömungsgesetze.- Strömungsart in der Luftröhre — Infusionsströmung.- 9.2 Elektrischer Gleichstrom.- 9.2.1 Elektrische Felder, metallische Körper, Kapazität.- 9.2.2 Elektrischer Strom und seine Wirkungen.- Stromstärke, Ladung, Stromdichte — Magnetische Wirkung des elektrischen Stromes — Chemische Wirkung des elektrischen Stromes — Wärmewirkung des elektrischen Stromes.- 9.2.3 Meßgeräte für den elektrischen Strom.- 9.2.4 Strömungsgesetze für den elektrischen Strom.- Strom-Spannungs-Kennlinie, elektrischer Widerstand, elektrischer Leitwert — Resistivität und Leitfähigkeit — Spannungsabfall, Spannungsteiler-(Potentiometer-)Schaltung — Elektrische Leistung.- 9.2.5 Elektrische Netzwerke.- Kirchhoffsche Gesetze — Strom- und Spannungsmesser — Spannungsquellen — Brückenschaltung — Einschaltvorgang eines Stromkreises mit Kondensator.- 9.3 Mechanismus der elektrischen Leitung.- 9.3.1 Ladungsträger.- 9.3.2 Elektrische Leitung in Metallen.- Elektrische Leitfähigkeit der Metalle — Temperaturabhängigkeit der Resistivität bzw. der Leitfähigkeit.- 9.3.3 Halbleiter.- 9.3.4 Elektrische Leitung in Flüssigkeiten.- Elektrische Leitfähigkeit von Flüssigkeiten, insbesondere von wäßrigen Lösungen — Dissoziation, Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit der Elektrolyte — Ladungs- und Materietransport in flüssigen Leitern, Faradaysche Gesetze.- 9.3.5 Elektrophorese und Iontophorese.- 9.3.6 Elektrische Leitung im Vakuum.- Vakuum und Ladungsträger — Photoemission — Thermische Emission von Elektronen — Die Elektronenröhre als Gleichrichter (G