Physik für Mediziner

Transkript

1 Vorklinischer Kurs Physik für Mediziner Praktikumshandbuch Zusammengestellt von: E. Dietz, F. Hillenkamp, K. Kupka, W. Pohlit, D. Roßberg, M. Wenz Neu bearbeitet und erweitert von: Oliver Klein Wintersemester 2009/2010

2 Vorwort V - 1 Der Beginn aller Wissenschaft ist das Erstaunen, dass die Dinge sind, wie sie sind. Ἀριστoτέλης ( ) Vorwort Diese 59. Auflage der Praktikumsanleitung für das Praktikum Physik für Mediziner an der Goethe Universität Frankfurt am Main wird den Kursteilnehmern erstmals kostenlos als PDF über das Internet zur Verfügung gestellt und erscheint nicht mehr in gedruckter Form. Hieraus ergeben sich für die Studierenden zwei Vorteile: Zum einen muss das Praktikumshandbuch nicht mehr käuflich erworben werden, zum anderen können die Studierenden sich bereits direkt nach der Kurseinteilung mit den zu bearbeitenden Versuchen vertraut machen. Die 59 Auflagen dieses Praktikumshandbuchs sind in über 30 Jahren entstanden. So lange bestehen das Institut für Biophysik und ein eigenes Physikpraktikum für die Studierenden der Medizin und der Zahnmedizin. In der vorliegenden Auflage wurden bei einer Reihe von Versuchen inhaltliche Klarstellungen vorgenommen und textliche Fehler beseitigt. Die ständige Fortentwicklung dieses Skriptes ist ohne Rückmeldung seiner Leser kaum zu leisten. Ich danke allen (früheren) Teilnehmern und Mitarbeitern des Praktikums für die unterschiedlichen Anregungen und Hinweise auf Fehler oder missverständliche Formulierungen. In diesem Sinne möchte ich alle Leser bitten, mir auch künftig alle Auffälligkeiten mitzuteilen, denen Sie im Skript begegnen. Ich wünsche allen Lesern eine angenehme Lektüre und ein erfolgreiches Arbeiten mit der vorliegenden Praktikumsanleitung. Frankfurt am Main, den 23. November 2009 Dr. Oliver Klein Das Praktikumshandbuch Physik für Mediziner ist ausschließlich für den internen Gebrauch im Rahmen der Lehrveranstaltung bestimmt. Es erscheint im Eigenverlag des Instituts für Biophysik der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Straße 1, Frankfurt am Main; 59. Auflage, Wintersemester 2009/2010.

3 Inhalt I - 1 Inhaltsverzeichnis Einführung Propädeutische Versuche 11. Tropfendosierung und Oberflächenspannung 12. Dichtebestimmung bei Festkörpern 13. Gleichspannungen und Widerstände Versuchsgruppe Mechanik und Optik: 21. Zentrifuge 22. Flüssigkeitstransport in laminaren Strömungen 24. Wärmeleitfähigkeit von Festkörpern 25. Spezifische Wärmen von Wasser und Metallen 26. Optik und Augenmodell 27. Lichtmikroskop 28. Spektralphotometer Versuchsgruppe Elektrik und Radiometrie: 31. Röntgenstrahlen 33. Radioaktivität 34. Ladungsträgertransport in Elektrolyten 35. Elektrolytischer Trog und Elektrokardiogramm (EKG) 37. Messung von Schall 38. Ultraschall Anhang A.1 Berücksichtigung von Messfehlern bei der Experimentauswertung A.2 Die Exponentialfunktion (e-funktion) A.3 Graphische Darstellung von Messergebnissen A.4 Strahlenschutzanweisung A.5 Häufig benutzte Abkürzungen A.6 Lösungen der Übungsaufgaben

4 Einführung E - 1 Einführung Das Praktikum Physik für Mediziner ist eine praktische Übung im Sinne der Approbationsordnung für Ärzte, deren regelmäßiger und erfolgreicher Besuch Voraussetzung ist für die Teilnahme am Physiologie-Praktikum und natürlich auch für die Meldung zur ärztlichen Vorprüfung. Es wird durchgeführt als sechswöchiger Blockkurs im Anschluss an die Vorlesungszeit des ersten Semesters. Die Vorlesung des abgelaufenen Semesters bildet die Grundlage für das Praktikum. Auf der Vorlesung und den dazu gehörenden Übungen aufbauend, wird anhand ausgewählter, typischer Beispiele, die Umsetzung physikalischer Prinzipien in die praktische Anwendung studiert. Daneben sollen im Praktikum die wichtigsten Regeln des naturwissenschaftlichen Experimentierens, der Messtechnik und der Auswertung von Messergebnissen vermittelt werden. In der medizinischen Praxis haben Sie es meist mit komplizierten Problemen und mit hochentwickelten Apparaturen zu tun. Hier im Praktikum sollen Sie eine Auswahl dieser Verfahren an einfachen Beispielen ausprobieren, so dass Sie einen Zugang zu Prinzip und Wirkungsweise finden können. Im Anschluss an ein solches, mit einfachen Apparaturen durchgeführtes Experiment sollte es dann leichter fallen, die in der klinischen Praxis benutzten komplizierten Geräte zu verstehen. Solche Apparate sind deshalb in einzelnen Exemplaren ebenfalls im Kurs vorhanden und stehen für Messungen zur Verfügung. E 1. E 1.1 Organisation des Praktikums Versuchseinteilung Im Praktikum werden insgesamt 19 Versuche angeboten. Drei propädeutische Versuche werden zu Beginn des Kurses von allen Praktikanten gemeinsam durchgeführt. Danach absolviert jeder Praktikant acht von 16 Einzelversuchen. Die Termine ergeben sich aus dem Terminplan, den Sie im Internet abrufen können. Dieser Plan ist für eine Gruppe von je sechs Teilnehmern identisch. Die mitgeteilten Termine sind verbindlich. Eine Abweichung ist nur mit ausdrücklicher Zustimmung der Praktikumsleitung möglich. E 1.2 Gruppeneinteilung Die Teilnehmer arbeiten im Allgemeinen jeweils zu zweit als Arbeitspaar zusammen. Je 3 Arbeitspaare bilden eine Gruppe, die jeweils an der gleichen Fragestellung, d.h. am gleichen Praktikumsversuch arbeitet. Die Gruppen und Paare sollen grundsätzlich für den Rest des Kurses beieinander bleiben. Ein Partnertausch innerhalb der Gruppe stellt kein Problem dar, sollte aber mit der Praktikumsleitung abgestimmt werden. Der Wechsel in eine andere Gruppe ist generell nicht möglich, weil dies erhebliche Auswirkungen auf den Terminplan hat. Ausnahmen bedürfen der ausdrücklichen Genehmigung durch die Praktikumsleitung. 59. Auflage

5 E - 2 Einführung E 1.3 Geräte Benutzen Sie grundsätzlich nur die Geräte, die an Ihrem Arbeitsplatz stehen und ausdrücklich für Ihren Versuch bestimmt sind! Wir sind mit dem Kurs zu Gast in den normalen Praktikumsräumen des Fachbereichs Physik. In den Konsolen auf den Tischen gibt es zahlreiche Einbauten, deren Benutzen im Rahmen des Medizinerpraktikums nicht vorgesehen sind. Bitte spielen Sie nicht an diesen Geräten herum. Stellen Sie am Ende Ihres Kurstages bitte alle Gerätschaften wieder an die Stelle an Ihrem Arbeitsplatz, wo sie zu Beginn der Veranstaltung gestanden haben. Das Betreuerteam und die nach Ihnen kommenden Praktikanten werden es Ihnen danken. Bedenken Sie, dass kurze Zeit nach Ihrem der nächste Kurs beginnt. Auch diese Teilnehmer wollen alle für die Versuchsdurchführung erforderlichen Utensilien an ihrem Arbeitsplatz vorfinden! Es ist unvermeidlich, dass Geräte auch bei normalem Gebrauch und vorsichtiger Handhabung gelegentlich Schaden nehmen. Bitte melden Sie defekte Geräte umgehend Ihrem Betreuer, damit wir möglichst schnell Reparaturen vornehmen können. E 2. E 2.1 Versuche Versuchsvorbereitung Langjährige Erfahrung aus der Betreuung des Praktikums zeigt, dass das Lernziel des Kurses nur erreicht werden kann, wenn jeder Teilnehmer ausreichend vorbereitet ins Praktikum kommt. Die Versuche sind in den Anleitungen so beschrieben, dass Ihnen diese Vorbereitung erleichtert wird. Die optimale Vorbereitungsstrategie sieht wie folgt aus: Lesen Sie sich zunächst mit Hilfe eines Lehrbuchs in die Thematik des jeweiligen Versuchs ein. Hinweise auf die entsprechenden Lehrbuchkapitel finden sich zu Beginn eines jeden Kapitels dieser Versuchsbeschreibung. Zur abschließenden Vorbereitung auf den Versuch gehört die eigenständige Auseinandersetzung mit dem Stoff. Hierzu dient der Abschnitt Teil A: Vorbereitung auf den Versuch zu jedem Versuchsthema. Zur Kontrolle, dass Sie die einzelnen Schritte verstanden haben, sind am Ende eines solchen Abschnitts jeweils eine oder mehrere Übungsaufgaben aufgeführt, die von jedem einzelnen Praktikanten selbständig zu lösen sind. Die Ausarbeitungen der Aufgaben müssen zu Beginn eines jeden Praktikumstermins vorgelegt und mit dem Protokoll abgegeben werden. Zur Vorbereitung auf den Versuch gehört ferner, dass Sie den Teil B: Durchführung und Auswertung des Versuchs durchlesen und sich klar machen, wie das Experiment durchgeführt wird und welche Schritte für seine Auswertung vorgesehen sind. Dieser Teil muss zum Versuch in ausgedruckter Form mitgebracht werden, da er die Anweisungen enthält, wie der Versuch durchgeführt werden soll. Bitte bringen Sie keine vorformulierten Protokolle oder vorbereitete Tabellen mit ins Praktikum. Sie sollen üben, die Ergebnisse im Praktikum, während des laufenden Experiments zu erarbeiten. Die sorgfältige Vorbereitung wird von der Praktikumsleitung durch gelegentliche Platzkolloquien überprüft. Bei Mängeln kann ein Nachkolloquium angeordnet werden. Bei unzureichender Vorbereitung kann die Teilnahmeberechtigung für diesen Praktikumstag verweigert werden; der Versuch muss dann an einem Sondertermin nachgeholt werden. Allerdings ist die Anzahl möglicher Nachholtermine auf zwei limitiert.

6 Einführung E - 3 Es versteht sich von selbst, dass das Mitbringen und Benutzen von Protokollen anderer Praktikanten, die den Versuch bereits früher durchgeführt haben, als Vorlage für Ihr Versuchsprotokoll nicht erlaubt ist! Ein Praktikant, der im Praktikum mit Musterprotokollen angetroffen wird, muss den Versuch abbrechen. Auch einem Versuchsprotokoll, das erkennbar auf diese Weise zustande gekommenen (weil z.b. Aufgaben behandelt werden, die in der aktuellen Versuchsanleitung gar nicht mehr existieren) wird die Anerkennung verweigert. Pünktliches Erscheinen zum Praktikumstermin ist unabdingbar, da Ihr Betreuer zu Beginn noch zusätzliche Anweisungen zur Versuchsdurchführung geben wird. Wenn Ihnen das eine oder andere Problem der Versuchseinführung auch nach einigem Bemühen unklar bleibt, wenden Sie sich bitte vor Beginn der Experimente an einen Betreuer mit der Bitte um Hilfe. Haben Sie auch anschließend keine Scheu zu fragen, wenn Sie Schwierigkeiten beim Verständnis oder bei der Versuchsdurchführung haben. E 2.2 Versuchsdurchführung und Protokollierung Jedes Paar führt über seine Messungen und Beobachtungen während des Versuchs ein Versuchsprotokoll, in das alle Messwerte, Beobachtungen und Auswertungen aufgenommen werden und zwar in chronologischer Reihenfolge, wie sie erarbeitet werden. Als Deckblatt benutzen Sie bitte die ausliegenden Formulare. Vergessen Sie nicht, Ihre Teilnehmernummern sowie die Nummer Ihres Arbeitsplatzes (Platznummer 1 bis 4) anzugeben, an welchem Sie experimentieren, damit der Betreuer weiß, was Ihre genaue Aufgabenstellung war. Finden Sie den Namen Ihres Betreuers heraus und schreiben auch diesen auf das Deckblatt. Große Sorgfalt bei der Protokollierung der Messergebnisse erspart Ihnen bei der Auswertung viel Zeit und Frustration. Hierzu gehören kurze erläuternde Texte, um welchen Versuchsteil es sich handelt, und welche Besonderheiten bei der Messung aufgetreten sind. Legen Sie ordentliche Messwertetabellen in Spaltenform an mit genauer Bezeichnung der Größen und Einheiten und gegebenenfalls der Schalterstellungen an den Geräten. Dieses Protokoll sollte so ordentlich und sauber wie möglich geführt werden. Sie können aber durchaus auch einzelne, fehlerhafte Messwerte oder Tabellen durchstreichen und durch neue bzw. verbesserte ersetzen. Das Protokoll muss in jedem Fall so eindeutig und vollständig sein, dass auch ein Außenstehender, z.b. Ihr Betreuer oder ein Mitglied der Praktikumsleitung, nachvollziehen kann, was Sie gemacht haben und wie Sie zu Ihren Ergebnissen kamen. (Führen Sie es so, wie Sie später auch das Krankenblatt eines Patienten anlegen würden!) Dieses Versuchsprotokoll ist in seiner Originalform abzugeben und soll unter keinen Umständen noch einmal in Reinschrift übertragen werden. Wenn dies ausnahmsweise einmal nötig sein sollte, sind die Original-Notizen als Dokumentation beizufügen. Wenn diese fehlen, kann kein Testat erteilt werden! In den meisten Fällen empfiehlt es sich, schon während der Messung stichprobenartig einige Messwerte sofort auszuwerten, um grobe Fehler oder vergessene Parameter beizeiten zu entdecken. Das Messprotokoll mit der vorläufigen Auswertung sollten Sie im eigenen Interesse vor der vollständigen Auswertung Ihrem Betreuer zeigen. Dies soll keine zusätzliche Kontrolle sein, sondern dem Betreuer die Möglichkeit geben, Sie schon früh auf prinzipielle Fehler bei der Auswertung aufmerksam zu machen. Bei einigen Versuchen findet nach der Ausführung der Experimente eine Diskussion innerhalb der Gruppe statt. Dies soll Möglichkeiten geben, noch offene oder weitergehende Fragen zu klären. Außerdem führen die einzelnen Arbeitspaare nicht immer exakt die gleichen Versuche durch. In der Diskussion lernen dann alle Paare der Gruppe diese verschiedenen Versuchsergebnisse kennen. 59. Auflage

7 E - 4 Einführung Zu Kursbeginn werden Sie die zur Verfügung stehende Zeit während des Praktikums zur Versuchsdurchführung und Erstellung der oben beschriebenen Messwertetabellen benötigen. Legen Sie in einem solchen Fall die bis da hin entstandenen Materialien Ihrem Betreuer vor, der Ihnen ein Vortestat erteilt. Die endgültige Auswertung werden Sie nach Ende des Praktikumstermins vornehmen und das Protokoll zusammen mit den vortestierten Blättern spätestens am nächsten Werktags in einem Umschlag mit dem Namen des Betreuers in den Briefkasten vor der Flurtür des Instituts (gegenüber Seminarraum EG.401) werfen. Nur so kann Ihr Betreuer es bis zum nächsten Praktikumstag durchgesehen haben. Nach der Durchführung einiger Versuche sollten Sie aber in der Lage sein, schon während des Praktikums das endgültige Versuchsprotokoll anzufertigen, das dann gleich dem Betreuer abgegeben wird. Wenn dieser bestätigt, dass Sie alle Versuchsteile bearbeitet haben, können Sie das Praktikum verlassen. Ein vorzeitiges Verlassen des Praktikums ist ausnahmslos nur dann zulässig, wenn Sie Ihr fertiges Protokoll dem zuständigen Betreuer persönlich abgegeben haben. Wenn Ihnen der Betreuer das Protokoll zur Überarbeitung zurückreicht, nehmen Sie die Korrektur auf einem Zusatzblatt vor. Am Kopf des Blattes sollte stehen: Korrektur zum Versuch..., gefolgt von den Teilnehmernummern und dem Namen desjenigen, der die Korrektur vorgenommen hat. Wenn es sich um die Ergänzung in einem Diagramm handelt, markieren Sie deutlich, was die Korrektur ist, indem Sie einen andersfarbigen Stift benutzen oder Ihre Korrektur mit einem Markerstift unterlegen. Werfen Sie die Korrektur bitte bis zum nächsten Werktag zusammen mit dem Originalprotokoll in einem Briefumschlag mit dem Namen des Betreuers, zur erneuten Durchsicht in den Briefkasten vor der Institutstür. Führen Sie diese Korrekturen sorgfältig aus! Nehmen Sie nochmals die Praktikumsanleitung in die Hand und lesen Sie nach, welche Aufgaben gestellt waren. Ein wiederholt fehlerhaftes Protokoll führt zur Verweigerung des Testats für diesen Versuch. E 2.3 Einführungsversuch Am ersten Praktikumstag führen alle Praktikumsteilnehmer gemeinsam einen Einführungsversuch (Versuch 11) durch. Im Rahmen dieses Einführungsversuches sind Sie in der Beobachterrolle; Sie lernen vor allem etwas über das Anlegen von Messwerttabellen sowie über die graphische Darstellung und rechnerische Auswertung von Experimentergebnissen. Das sind Fertigkeiten, die Sie später immer wieder in diesem Praktikum und auch in Ihrem Beruf anwenden werden. Die beiden folgenden propädeutischen Versuche (Versuche 12 und 13) führen ebenfalls alle Teilnehmer (in zwei Gruppen) gemeinsam durch. Hier wird jedoch eine Vorbereitung mit Lehrbuchstudium und Durcharbeiten der Praktikumsanleitung vorausgesetzt. Im Rahmen dieser Termine führen Sie erstmals eigenständige Experimente durch.

8 Einführung E - 5 E 3. Erfolgskontrolle und Scheinvergabe Das Praktikum ist eine anwesenheitspflichtige Veranstaltung, die nur dann erfolgreich sein kann, wenn alle Praktikanten engagiert mitarbeiten! Eine gründliche Vorbereitung auf den jeweiligen Versuch ist deshalb unabdingbare Voraussetzung für die Teilnahme am jeweiligen Praktikumsversuch. Die Erfolgskontrolle zur Erlangung des Praktikumsscheins wird an Hand der testierten Versuchsprotokolle und einer Abschlussklausur durchgeführt. Die Abschlussklausur besteht aus Multiple-Choice-Aufgaben die sich an den Physikumsaufgaben orientieren. Es gibt eine Abschlussklausur am Kursende und zwei Wiederholungstermine. Bitte bewahren Sie alle anerkannten Versuchsprotokolle solange auf, bis Sie Ihren Schein erhalten haben, damit Zweifelsfälle eindeutig geklärt werden können. 59. Auflage