Einführung in die Physik für Studierende der Medizin, Zahnmedizin und Pharmazie

Transkript

1 Einführung in die Physik für Studierende der Medizin, Zahnmedizin und Pharmazie Doris Vollmer Max-Planck Institut für Polymerforschung, Mainz Wintersemester 2012/

2 Allgemeine Informationen Ein-semestrige Vorlesung Experimente spielen eine wichtige Rolle, Mathematik auf notwendiges Maß beschränkt Vorbereitung der Versuche: Herr Motzko Folien stelle ich nach der Vorlesung ins Netz (meine Homepage) Ziel: Vorbereitung auf die Klausur Vermittlung des Basiswissens fürs Physikum => Geht über das Praktikum hinaus! 2

3 Literatur Physik Oberstufe Neue Ausgabe - Westliche Bundesländer, Cornelsen 35,95 Physik für Mediziner. Eine Einführung (Springer-Lehrbuch) 30 Trautwein / Kreibig / Hüttermann Physik für Mediziner, Biologen, Pharmazeuten 29,95 Horst Lautenschlager Abitur-Training Mathematik Analysis für G8 13,95 Ferner: Siehe Skript

4 Aufgaben und Methodik der Physik Keine menschliche Forschung kann man wahre Wissenschaft heißen, wenn sie ihren Weg nicht durch mathematische Darlegung und Beweisführung hin nimmt. Sagst du, die Wissenschaften, die von Anfang bis Ende im Geiste bleiben, hätten Wahrheit, so wird dies nicht zugestanden, sondern verneint aus vielen Gründen, und vornehmlich deshalb, weil solchem geistigen Abhandeln die Erfahrung (oder das Experiment) nicht vorkommt; ohne dies aber gibt sich kein Ding mit Sicherheit zu erkennen. Leonardo da Vinci, Das Buch der Natur ist in der Sprache der Mathematik geschrieben Galileo Galilei,

5 Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig? Welcher der beiden orangefarbenen Kreise ist größer?

6 Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig? Titschener'sche Täuschung: Welcher der beiden orangefarbenen Kreise ist größer? Sie sind gleich groß! Die Größe eines Objekts wird abhängig von seiner Umgebung wahrgenommen.

7 Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig? Sind die Linien parallel zueinander oder gekrümmt?

8 Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig? Hering'sche Täuschung Die beiden horizontalen Linien sind parallel. Durch das Strahlenbündel erscheinen sie gekrümmt.

9 Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig? Wieso mathematische Beschreibung: Erklärung: Unmögliche Objekte ergeben sich aus dem Bestreben unserer Wahrnehmung heraus, in zweidimensionale Abbildungen nach Möglichkeit immer eine dritte Dimension hinein zu interpretieren. Diese Tendenz ist so stark, dass wir selbst bei Formen, die unserer Erfahrung nach real nicht existieren können, die räumliche Betrachtungsweise nicht abstellen können.

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11 Physikalische Arbeitsmethode Fazit Messgeräte unabdingbar, um Beobachtungen unabhängig von Sinneseindrücken zu machen ( neutrale Beobachter ). quantifizierbar reproduzierbar unbestechlich...aber nicht nur Sammeln von Information wichtig. Intuition und das Zusammenfügen verschiedenartiger Information ist ebenso notwendig, um Neues zu finden. => Dies macht Forschung spannend!

12 Physikalische Arbeitsmethode Induktive Methode: Beobachtung eines Vorgangs Experiment zur qualitativen und quantitativen Untersuchung des Vorgangs Modell zur Beschreibung des Vorgangs (und evtl. weiterer) Gesetz (Verallgemeinerung auf ähnliche Fälle) Vorhersage neuer Phänomene

13 Physikalische Themen im Wandel Klassische Gebiete der Physik Mechanik Wärmelehre Elektrizitätslehre Optik Moderne Physik Atom-, Kern- und Teilchenphysik Festkörperphysik Nanophysik, Biophysik,.. Beschreibung der unbelebten Natur Mathematische Formulierung der Gesetzmäßigkeiten (Theorie) Überprüfung der theoretischen Vorhersagen durch Experimente 13

14 Physik Medizin Die Medizin war zu jeder Zeit eng verbunden mit physikalischen, chemischen und biologischen, naturwissenschaftlichen Erscheinungen Helmholtz Teil der allgemeinen Lehre von der Natur. Siehe z.b. im 19. Jhdt.:H. v. Helmholtz Augen, Spiegel R. Mayer Energiesatz J.L.M. Poiseuille Blutströmung J.W. v. Goethe physikalische/(sinnes-) physiologische Studien (Farbenlehre) (Schloss Freudenberg

15 Warum Physik für Sie? Physik ist Mutter aller Naturwissenschaften. Physikalische Vorgänge sind Bestandteile der Natur und der Lebensvorgänge. Bewegungsapparat Mechanik (Hebelgesetze) Nerven, Gehirntätigkeit Elektromagnetismus Auge Optik Physikalische Methoden sind Grundlage vieler Laboruntersuchungen. Als Naturwissenschaftler müssen Sie die Funktion und die Grenzen von Messgeräten beurteilen können. Mikroskop Optik Altersbestimmung Kernphysik (Radioaktivitat)

16 Warum Physik für Sie? Physik gehört zur kulturellen Bildung. Physikalisches Grundwissen ist notwendig, um über wesentliche Probleme fundiert mitdiskutieren zu können. Energieproblematik Radioaktivität Mikrowelle, etc. Physik ist faszinierend!

17 Einführung Einführung Größen und Einheiten Beispiele für Größenordnungen 17

18 Größen und Einheiten Größen und Einheiten 18

19 Größen und Einheiten Gesetze der Physik liefern Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen wie Länge, Zeit, Kraft, Eine physikalische Größe a ist ein Produkt aus Zahlenwert {a} und Einheit [a]: a = {a} [a] z.b.: t = 2,5 s Die Einheiten aller physikalischen Größen lassen sich auf eine überschaubare Zahl fundamentaler Einheiten (Basiseinheiten) zurückführen. Die Wahl der Basiseinheiten bestimmt das Maßsystem. Wichtigstes Maßsystem ist das SI (Systeme Internationale). 19

20 Größen und Einheiten Abgeleitete physikalische Größen erhalten eine Dimension. Die Dimension ist die algebraische Kombination der Basisgrößen Beispiel: Die Dimension der Kraft ist Merke: [F] = N = Masse Länge / Zeit 2 Bei allen berechneten Größen soll man überprüfen, ob sie die richtige Dimension haben. Niemals "Äpfel und Birnen" addieren!! Dimensionsanalysen können Anhaltspunkte für ein gesuchtes Naturgesetz liefern 20

21 Größen und Einheiten Basisgrößen Länge Zeit Masse Temperatur Elektrische Stromstärke Lichtstärke Stoffmenge Das Internationale System (SI) Basiseinheit Meter (m) Sekunden (s) Kilogramm (kg) Kelvin (K) Ampere (A) Candela (cd) Mol (mol) Die Einheit jeder physikalischen Größe kann aus den SI-Einheiten abgeleitet werden. Die Einheiten einiger Größen besitzen noch eine eigene Bezeichnung (Dimension), z.b. für die Kraft F [F] = kg m s -2 = N (Newton)

22 Größen und Einheiten Bezeichnungen für Größenordnungen Bequeme Abdeckung der Größenordnungen für die einzelnen Größen über Vielfache und Bruchteile der Einheiten Peta- P Tera- T Giga- G 10 9 Mega- M 10 6 Kilo- k 10 3 Zenti- c 10-2 Milli- m 10-3 Mikro- µ 10-6 Nano n 10-9 Pico- p Femto- f 10-15

23 Beispiele Beispiele für Größenordnungen

24 Größenordnungen Längenskalen in m Weltall Galaxis Sonnensystem Erde 10 7 Mensch 10 0 DNA 10-7 Atom Atomkern Proton 10-15

25 Größenordnungen Längenskalen in m Weltall Galaxis Sonnensystem Erde 10 7 Mensch 10 0 DNA 10-7 Atom Atomkern Proton Astronomie Bio- Nanophysik, Medizin Atom- Kernphysik Chemie

26 Größenordnungen Zeitintervalle in Sekunden Lebensdauer des W-Bosons Schwingungsperiode von sichtbarem Licht Laufzeit des Lichts durch das Auge (3 cm) Taktzeit eines Pentiumprozessors 10-9 Blitz beim Fotoapparat 10-5 Nervenleitung (1 m) 10-2 Kürzeste Reaktionszeit Konzentrationszeit Studiendauer Lebensdauer eines Menschen Unsere Milchstraße Alter des Universums (15 Mrd Jahre) Mittlere Lebensdauer eines Protons >

27 Größenordnungen Massenwerte in kg Elektron Proton Aminosäure Hämoglobin Virus Salzkorn 10-8 Menschliches Haar 10-6 DIN A6 Blatt 10-3 Mensch Großer LKW Pyramide Sonne

28 Größenordnungen The power of ten (Video zur Veranschaulichung der enormen Unterschiede in den Größenordnungen)

29 Lesen Sie nach! Planen Sie feste Zeiten für Physik ein! Und vor allem: Verstehen ist besser als Auswendiglernen! (auch wenn einiges trotzdem auch auswendig gelernt werden muss, Symbole für Größen und Einheiten) 29