Physik für Pharmazeuten und Mediziner

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1 Physik für Pharmazeuten und Mediziner Ein Lehrbuch für alle Studierenden mit Physik als Nebenfach von Professor Dr. rer. nat. Ulrich Haas Stuttgart 6., neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 725 Abbildungen und 84 Tabellen Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbh Stuttgart 2002

2 VII Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 Physikalische Größen - Einheiten - Mengenbegriffe 1 Einheit - Maßzahl - Dimension 1 2 Internationales Einheitensystem Definitionen der SI-Basiseinheiten Vorsilben zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen Abgeleitete SI-Einheiten mit besonderem Namen 3 Mengenbegriffe - Bezogene Größen 6 11 Kapitel 2 Mechanik 13 4 Bewegungen Translationsbewegungen Die Geschwindigkeit Die Beschleunigung Zusammenhang von Beschleunigung, Geschwindigkeit, Weg und Zeit Der Freie Fall und der Wurf im Schwerefeld der Erde Rotationsbewegungen Gleichförmige Kreisbewegung Zusammenhänge einiger Größen bei Rotationsbewegungen Kräfte - Drehmoment Kräfte Trägheitskraft Gravitationskraft Federkraft Kraft als Vektor Zentripetalkraft - Zentrifugalkraft 44 Reibungskraft Drehmoment Das Drehmoment Statisches Gleichgewicht Statisches Gleichgewicht an Hebel, Waage und Rolle Drehmoment - Winkelbeschleunigung - Trägheitsmoment Arbeit - Energie - Leistung Arbeit Energie Potentielle Energie Kinetische Energie Energieerhaltungssatz Leistung Impuls - Drehimpuls Impuls Kraftstoß Impulserhaltungssatz Beispiele zur Anwendung des Impuls- und Energie- Erhaltungssatzes Drehimpuls

3 VIII Inhaltsverzeichnis Drehimpulserhaltungssatz Vergleich von Translations- und Rotationsbewegungen Starre Körper bei freier Drehachse - Kreisel Deformierbare feste Körper Einseitige Dehnung oder Kompression Biegung - Knickung - Bruch Querkontraktion - Poisson-Zahl Allseitige Dehnung oder Kompression (reine Volumenelastizität) Scherung - Torsion (reine Formelastizität) Viskoelastizität Ruhende Flüssigkeiten und Gase Begriff des Druckes Ruhende Flüssigkeiten (Hydrostatik) 99 Stempeldruck - Kolbendruck 99 Kolbenpumpe - Membranpumpe 101 Schweredruck 101 Kommunizierende Röhren 103 Ruhende Gase (Aerostatik) Gesetz von Boyle und Mariotte Atmosphärendruck - Barometrische Höhenformel Partialdruck Auftrieb in Flüssigkeiten und Gasen Auftrieb und Archimedisches Prinzip Schwimmen, Schweben, Sinken Eintauchen i Druckmessung Dichtebestimmung Bewegte Flüssigkeiten und Gase (Hydro- und Aerodynamik) Kontinuitätsbedingung Bernoulli-Gleichung Viskosität Stokes'sche Formel Strömungen realer Fluide Laminare Strömung viskoser Fluide Gesetz von Hagen-Poiseuille Strömungswiderstand Newton'scher Fluide Turbulente Strömung viskoser Fluide - Reynolds-Zahl Dynamischer Auftrieb Grenzflächeneffekte Oberflächenspannung Adhäsion - Kohäsion - Randwinkel Kapillarwirkung Bestimmung der Oberflächenspannung Adsorption an Grenzflächen 1U

4 Inhaltsverzeichnis IX Kapitel 3 Wärmelehre 12 Grundbegriffe - Temperaturskalen-Temperaturmessung Grundbegriffe 12.2 Temperaturskalen 12.3 Temperaturmessung Einige thermische Eigenschaften von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen Thermische Ausdehnung von Festkörpern und Flüssigkeiten Lineare Ausdehnung Volumenausdehnung Temperaturabhängigkeit der Dichte Ausdehnung von Gasen - Zustandsgieichungen Gesetz von Boyle und Mariotte Gesetze von Gay-Lussac Zustandsgieichung idealer Gase Zustandsgieichung realer Gase Zustandsgieichung von Gasgemischen Grundzüge der kinetischen Wärme- und Gastheorie Wärme als Energie Wärmemenge - Wärmekapazität Wärmekapazität - Molare Wärmekapazität Kalorimetrie Hauptsätze der Wärmelehre Erster Hauptsatz der Wärmelehre Beispiele spezieller Prozesse zur Anwendung des 1. Hauptsatzes Kreisprozesse Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre Thermodynamische Potentiale und Gleichgewichte Dritter Hauptsatz der Wärmelehre Aggregatzustände der Materie Umwandlungswärmen Atomistisches Bild Reaktionswärme, -enthalpie und -energie Gleichgewicht von Aggregatzuständen ^ Sättigungsdampfdruck - Dampfdruckkurve Clausius-Clapeyron'sche Gleichung Verdunsten - Sieden - Kondensation Schmelzen und Erstarren Phasendiagramm Gefriertrocknung Gibbs'sche Phasenregel Joule-Thomson-Effekt - Gasverflüssigung Luftfeuchtigkeit Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmeübertragung durch Konvektion ^ Wärmeübertragung durch Strahlung Diffusion

5 Inhaltsverzeichnis 19 Eigenschaften von Lösungen Lösungs wärme Dampfdruckerniedrigung bei Lösungen Osmose Lösung von Gasen in Flüssigkeiten Einfache Grundlagen der Reaktionskinetik Reaktionen nullter Ordnung Reaktionen erster Ordnung Reaktionen zweiter Ordnung Reaktionen dritter Ordnung Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeiten Kapitel 4 Elektrizität und Magnetismus Das elektrostatische Feld Der elektrische Strom Grundtatsachen Elektrische Ladungen Influenz Polarisation Begriff des elektrischen Feldes - Feldlinienbilder Kräfte zwischen Ladungen - Elektrische Feldstärke Coulomb' sches Gesetz Elektrische Feldstärke Einfluss des Dielektrikums zwischen den Ladungen Metallische Leiter, elektrische Ladungen und elektrische Dipole im elektrischen Feld Elektrisches Potential - Elektrische Spannung Die Kapazität Kapazität von Kondensatoren Parallel- und Serienschaltung von Kondensatoren Die Energie des elektrischen Feldes - Der Energieinhalt eines Kondensators Stromstärke - Stromdichte 291 Arbeit, Leistung und Wirkungen des elektrischen Stromes Elektrischer Widerstand - Leitwert Ohm'sches Gesetz Spannungsabfall am Widerstand Kirchhoff' sehe Regeln - Schaltung von Widerständen Kirchhoff sehe Regeln Schaltungsarten von Widerständen Messung elektrischer Widerstände mit der Wheatstone-Brücke 24.4 Spannungsquellen und Stromkreise Innenwiderstand einer Spannungsquelle - Elektromotorische Kraft Kompensationsschaltung nach Poggendorff Serien- und Parallelschaltung von Spannungsquellen Beispiele von Stromkreisen mit elektrischen Verbrauchern

6 Inhaltsverzeichnis XI 25 Ladungstransport in Materie und Vakuum 25.1 Metallische Leiter Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Metallen Supraleitung Thermoelektrische Erscheinungen Ladungstransport in Halbleitern Störstellen-Leitung Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit von Halbleitern pn-übergänge Das Bändermodell Ladungstransport in Flüssigkeiten Elektrolyte - Dissoziation - Elektrolyse Faraday'sche Gesetze Galvanische Elemente Akkumulatoren Membranspannung Konzentrationselement - Diffusionsspannung 25.4 Elektrizitätsleitung in Gasen Gasentladungen Ionisationskammer Geiger-Müller-Zählrohr- Proportionalzählrohr Ladungstransport im Vakuum Thermische Elektronenemission Röntgenröhre Elektronenstrahloszillograph Elektromagnetismus - Induktion Grundtatsachen Magnetische Kraftflussdichte - Magnetische Feldstärke - Magnetischer Fluss Kräfte auf stromdurchflossene Leiter, bewegte Ladungen und magnetische Dipole im Magnetfeld Kräfte auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Kräfte auf bewegte Ladungen und magnetische Dipole im Magnetfeld Anwendungsbeispiele zu den Kraftwirkungen in magnetischen Feldern Magnetische Induktion Das Induktionsgesetz Lenz'sche Regel N Selbstinduktion Gegenseitige Induktion Der Energieinhalt einer Spule - Die Energie des magnetischen Feldes Wechselstrom Effektiv werte von Spannung und Strom Wechselstromwiderstand Ohm'scher Widerstand Kapazitiverwiderstand InduktiverWiderstand Widerstand R, Kapazität C und Induktivität L im Wechselstromkreis 27.3 Ein- und Abschaltvorgänge an Kondensator und Spule Leistung eines Wechselstromes Erzeugung und Transformation von Wechselspannungen - Weitere elektrotechnische Anwendungen Erzeugung von Wechselspannungen Transformation von Wechselspannungen Weitere technische Anwendungen mechanoelektrischer Energieumwandlung

7 XII Inhaltsverzeichnis Messung elektrischer Ströme und Spannungen Messung von Strömen Messung von Spannungen Messbereichserweiterung Wirkung der Elektrizität auf den menschlichen Organismus Dielektrische und magnetische Eigenschaften der Materie Dielektrische Eigenschaften der Materie Magnetische Eigenschaften der Materie Kapitel 5 Schwingungen und Wellen Schwingungen Allgemeines Schwingung als periodischer Wechsel zwischen verschiedenen Energieformen Federpendel Fadenpendel - Drehpendel Elektrischer Schwingkreis Erzwungene und selbsterregte Schwingungen - Gekoppelte Oszillatoren Erzwungene Schwingungen - Resonanz Selbstgesteuerte und selbsterregte Schwingungen - Rückkopplung Gekoppelte Oszillatoren - Eigenschwingungen Gedämpfte Schwingung Gedämpfte mechanische Schwingungen Gedämpfte elektromagnetische Schwingungen Überlagerung und Zerlegung von Schwingungen Überlagerung harmonischer Schwingungen - Anharmonische Schwingungen - Fourier-Analyse Pegelmaß Brechung Stehende Wellen Beugung am Doppelspalt Beugung am Gitter Röntgenbeugung 31.5 Wellen Allgemeine Grundlagen Grundsätzliches zur Ausbreitung von Wellen - Prinzip von Huygens-Fresnel Transversale und longitudinale Wellen Reflexion - Brechung Reflexion Interferenz Zwei Strahlinterferenz Kohärenz Beugung Beugung am Spalt Beugung an der Kreis- oder Lochblende Doppler-Effekt j 32 Elektromagnetische Wellen

8 Inhaltsverzeichnis XIII Schallwellen - Akustik Stehende Schallwellen - Schallresonatoren Schallfeldgrößen Infra-, Ultra- und Hyperschall - Echolotverfahren Kapitel 6 Optik Geometrische Optik 35.1 Reflexion - Brechung Reflexion Brechung Totalreflexion Dispersion 35.2 Abbildung durch Reflexion Allgemeine Eigenschaften des Lichtes Abbildung durch Brechung Strahlablenkung durch Brechung Abbildung mittels Linsen Abbildungsfehler von Linsen Optische Einrichtungen und Systeme Das menschliche Auge als optisches Instrument 494 Refraktionsanomalien des Auges (Sehfehler) 497 Sehwinkel - Vergrößerung 499 Abbildende optische und elektronenoptische Instrumente - Auflösungsvermögen Die Lupe Das Lichtmikroskop Auflösungsvermögen - Auflösungsgrenze Das konfokale Mikroskop Elektronenmikroskope - Mikroskope atomarer Auflösung Fernrohre Photographische Apparate Projektoren Spektral selektive optische Instrumente Optische Filter Spektralapparate - Fourier-Spektrometer Holographie Polarisation Erzeugung polarisierten Lichtes Polarimeter - Anwendungen der Polarimetrie C A 1 5, Kapitel 7 Atomistische Struktur der Materie Atome 38.1 Grundbegriffe 38.2 Die Atomhülle Bohr'sches Atommodell Das wellen- und quantenmechanische Atommodell Quantenzahlen Aufbau der Atomhülle und periodisches System der Elemente 534

9 XIV Inhaltsverzeichnis Emission und Absorption elektromagnetischer Strahlung Der Atomkern Isotope Nuklide Bindungsenergien Kernmodelle Die magnetische Kernresonanz 544 A u f g a b e n Moleküle - Festkörper Bindungsarten Van der Waals Bindung Wasserstoffbrücken-Bindung Homöopolare Bindung Heteropolare Bindung Metallische Bindung 39.2 Festkörper Strukturanalyse von Molekülen und Festkörpern Radioaktivität Zerfallsgesetz Natürliche Radioaktivität Gewinnung radioaktiver Nuklide Kapitel 8 Strahlung (Quellen-Größen-Spektren-Wirkungen-Nachweis) Strahlungsquellen - Strahlungsgrößen Strahlungsquellen Strahlungsgrößen Größen der Radiometrie Größen der Photometrie Photonengrößen Quadratisches Abstandsgesetz Spektren Linienspektren - Bandenspektren Röntgenspektren Ionisation 43.2 Wechselwirkung von Strahlung und Materie Strahlungswirkungen und Strahlungsnachweis Erwärmung Anregung Lumineszenz Photochemische Reaktionen Absorption und Streuung von Strahlung Sichtbares Licht, nahes UV und IR Röntgen-und y-strahlung Teilchenstrahlung (a-, ß- und n -Strahlen) Dosimetrie - Strahlenbelastung - Strahlenschutz

10 Inhaltsverzeichnis XV Kapitel 9 Steuerung - Regelung - Informationsübertragung Steuerung und Regelung Prinzip der Steuerung und Regelung Regelkreis Übertragungsfunktionen 44.4 Rückkopplung 45 Informationsübertragung Kapitel 10 Physikalische Messung - Messfehler Beispiele einiger Messgeräte Längenmessung Zeitmessung Systematische und zufällige Fehler 48 Fehlerrechnung Anhang 633 A Mathematische Grundlagen 633 B Kurzer historischer Überblick 660 C Lösungen zu den 671 D Weiterführende Lehrbücher 676 E Einige physikalische Konstanten 677 Das griechische Alphabet 680 Sachregister 681