Medizinische Biophysik 3

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1 II. Wellenoptik. Im Allgemeinen übe Schwingungen und Wellen c) Mechanische Wellen Medizinische Biophysik 3 Licht in de Medizin (otsetzung) Polaisation (lineae Polaisation) nichtpolaisiete Welle Nu bei Tansvesalwellen(!!): eine Schwingungsichtung wid festgelegt Schwingungsichtungen Polaisato linea polaisiete Welle Beugung (Diffaktion) Abweichung von de uspünglichen Ausbeitungsichtung am Rand eine Öffnung ode eines Hindenisses Intefeenz Übelageung zweie ode mehee Wellenzüge Wenn o Gleiche Wellenlänge o este Phasenbeziehung Beugung an eine Öffnung: Huygensches Pinzip: Jede Punkt eine Wellenfont kann als Ausgangspunkt eine neuen kugelfömigen Welle, de sog. Elementawelle betachtet weden. Duch die Übelageung diese Elementawellen egibt sich die beobachtbae Wellenfont zu einem späteen Zeitpunkt. Wellenlänge = l d/l>> schwache Beugung d/l >= stake Beugung 3 4

2 Stehende Wellen positive (konstuktive) Intefeenz Vestäkung negative (destuktive) Intefeenz Auslöschen Reflexion eine Welle am feien Ende am festen Ende.5 A B A+B.5 A B A+B Intefeenz de einfallenden und eflektieten Wellen Ds = 0, l, l, 3l,... = n l, wo n = 0,,, 3, Gundschwingung. Obeschwingung. Obeschwingung l l 0 l l l 3 l c f0 l c f f 0 l 3c f 3 f0 l Gundfequenz c l f ouie- Analyse Dopple-Effekt equenzveschiebung de ausgesendeten Welle bei elative Bewegung von Quelle und Beobachte Schallquelle Beobachte fausgesendet fbeobachtet fausgesendet fbeobachtet Dopple-Veschiebung: fausgesendet fbeobachtet Df Ultaschall-Dopple-Technik Lase-Dopple-Technik Außenoh 7 8

3 . Licht als Welle Beugung eines Lasestahls an einem Loch Beugung eines Lasestahls an einem Haa Beugung an einem optischen Gitte a) Beugung (Diffaktion) des Lichtes Beugung eines Lasestahls an einem zweidimensionalen optischen Gitte Beugung von Lasestahlen unteschiedliche Wellenlänge an einem optischen Gitte Beugung von weißem Licht an einem optischen Gitte d sin α = k λ wobei k = 0,,, 3,... Bestimmung von l Hauptmaximum Nebenmaximum Bestimmung von d -te Odnung Nebenmaximum s. Diffaktionsmethoden -te Odnung 9 0 Lichtbeeiche Wellenlänge c l f b) Licht = elektomagnetische Welle Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 8 m c 30 s UV VIS IR equenz Gemizidlampen Mikoskop Infaotdiagnostik Infalampen Tansvesalwelle Polaisiebakeit s. Polaisationsmikoskop, Optische Aktivität im Paktikum, LCD, 3

4 c) Konsequenzen des Wellenchaaktes des Lichtes Auflösungsgenze des Lichtmikoskops (d) So päzise eine Linse auch geschliffen sei, infolge de Wellennatu des Lichtes titt an de Eintittsöffnung de Linse Diffaktion auf: demzufolge ehält man von eine punktfömigen Lichtquelle statt eines punktfömi-gen Bildes eine kleine leuchtende Scheibe. Dieses Phänomen vehindet das Studium beliebig feine Stuktuen, weil diese Scheiben einande übelappen. Enst Kal Abbe ( ) Mitbegünde de Zeiss-Weke Sehwinkelgenze des Auges (a ode Q) Ekläung: physikalisch 3 4 Sehwinkelgenze infolge Lichtbeugung: Stuktu de Mateie 5 6 4

5 a) Kaft I. Atomae, molekulae Wechselwikungen. Im Allgemeinen übe Wechselwikungen Wechselwikung!! omändeung (Defomation Bewegungsändeung m Kaft (): ma kg N (Newton) s. newtonsches Gesetz (Gundgleichung de Mechanik): i ma a a. newtonsches Gesetz (Tägheitspinzip): i 0 a 0 v konstant (Z.B.: v = 0) 3. newtonsches Gesetz (actio-eactio): Gleichgewicht Kaftgesetze (Beispiele): o o m m Gavitationsgesetz Coulomb-Gesetz Anwendung: q q k q q G G ( : Gavitationskonstante) Schwekaft ode Gewichtskaft (G): + + Abstoß Anziehung + medem G mg g = Beschleunigung des feien alles (9,8 m/s ) 7 o Stake Wechselwikung (Kenkaft): anziehende Wechselwikung zwischen den Nukleonen im Ken; stak; kuze Reichweite 8 b) Abeit und Enegie Abeit(W): W Δ ( Nm J (Joule) Weitee Maßeinheiten: cal = 4,9 J ev =,6 0 9 J Zum Beispiel: + + Da hie nicht konstant ist: q q W d k d kqq Enegie(E): die im System gespeichete Abeit( J) o elektische potenzielle Enegie ( ): q q W Epot k D D Anziehung W + qq kqq k + + Abstoß Anziehung + 9 o Lage- (potenzielle) Enegie( ): m m Epot Potenzielle Enegie im Gavitationsfeld de Ede: m m E Ede pot o Bewegungs- (kinetische) Enegie (E kin ): Ekin mv c) Enegieehaltung d) Leistung E i konstant W t J W (Watt) s 0 m Lineae Näheung: mgh Epot mgh R. Maye (84-878) Schiffazt und Physike Leistung (P): P Weitee Maßeinheit: PS = 750 W 0 5

6 e) Duck Duck (p): p A N Pa (Pascal) m Entstehung von stabilen Köpesystemen - allgemeine Pinzipien Wechselwikungen Weitee Maßeinheiten: ba = 00 kpa mmhg = 33 Pa Nomalduck = 0 kpa Bewegungen Ekin mv abstoßend anziehend o hydostatische Duck (Schweeduck) p g h Dichte 9,8 m/s Tiefe Unodnung E E kin Z.B. elektische Ww: q q k Odnung pascalsches Gesetz: in einem Punkt des Mediums wikt degleiche Duck in jede Richtung E Ekin 0 E Ekin 0 gebundenes Elekton feies Elekton Rechenaufgaben: Paktikumsbuch 7.. Beechnen Sie die Wellenlänge des Kammetones a (440 Hz) in de Luft (Schallgeschwindigkeit: 330 m/s) und im Wasse (Schallgeschwindigkeit: 500 m/s)?. Beechnen Sie die equenz und die Wellenlänge fü die Gundschwingung und fü die esten zwei Obeschwingungen bei einem Hohlesonato mit einem festen und einem feien Ende. Die Länge des Hohlesonatos betägt 50 cm und die Schallgeschwindigkeit ist 300 m/s. 3. Beechnen Sie die equenzgenzen des sichtbaen Beeiches in THz-Einheit! 4. Ein optisches Gitte wid mit einem Lasestahl de Wellenlänge von 54 nm duchgeleuchtet. Das Beugungsbild wid an einem m entfenten Schim beobachtet. De Abstand zwischen dem Hauptmaximum und dem Nebenmaximum -te Odnung betägt 0,3 cm. Beechnen Sie die Gittekonstante. 5. Pete zieht einen mit Wasse aufgefüllten Eime (m = kg) aus einem m tiefen Bunnen gleichmäßig mit eine konstanten Geschwindigkeit von 0,5 m/s auf. Wie goß sind a) die Abeit; b) die Leistung von Pete? 6. Die duchschnittliche Leistung des menschlichen Hezens ist 6 W. Welche Abeit veichtet das Hez im Laufe eines Lebens? 7. Bei Zimmetempeatu fliegen die O -Moleküle in de Luft mit eine duchschnittlichen Geschwindigkeit von etwa 400 m/s. Wie goß sind a) die duchschnittliche kinetische Enegie; b) die Lageenegie eines O - Moleküls bei eine Höhe von 8000 m in ev-einheit? Lösungen:. Luft: 0,75 m; Wasse: 3,5 m. Gundschwingung: 50 Hz und m;. Obeschwingung: 450 Hz und 66,7 cm;. Obeschwingung: 750 Hz und 40 cm THz und 750 THz 4. 0 mm 5. a) 40 J; b) 58,9 W 6. 5, GJ (mit 80 Jahen beechnet) 7. a) 6,7 mev; b) 6, mev 3 6