Physikalisches Kurspraktikum für Mediziner und Naturwissenschaftler

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1 Physikalisches Kurspraktikum für Mediziner und Naturwissenschaftler Von Jan van Calkerf und Hans-Rudolf Kleinhanß 3. Auflage Mit 98 Abbildungen und 12 Tabellen Schattauer Verlag Stuttgart New York

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 Physikalische Grundbegriffe 1 Grundlagen des experimentellen Arbeitens 4 1. Fehlerrechnung Statistik 7 /./. Theoretische Grundlagen Fehler und ihre Ursachen Statistische Gesetzmäßigkeiten Verteilungsfunktionen Auswertung endlicher Meßreihen Fehlerfortpflanzung Ausgleichsgerade, lineare Regression Versuche zur Fehlerrechnung und Statistik Zusammenfassung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Protokollführung und Auswertung bei statistisch verteilten Meßgrößen Versuch: Beobachtungsfehler bei einer Geschwindigkeitsmessung Versuch: Zählmethoden im klinischen Labor Versuch: Zählstatistik beim radioaktiven Zerfall Versuch: Protokollführung und Auswertung bei einer funktionalen Abhängigkeit von Meßgrößen Versuch: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Versuch: Bestimmung von Zerfallskonstante und Halbwertszeit eines radioaktiven Präparates Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Mechanische Größen Theoretische Grundlagen Einführung Kraft und abgeleitete Größen Mechanische Eigenschaften von Flüssigkeiten Messen mechanischer Größen 46

3 X Inhaltsverzeichnis 2.3. Versuche zur Mechanik der Flüssigkeiten Zusammenfassung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Meßprinzip der Mohrschen Waage Versuch: Mohrsche Waage, Volumenkontraktion Versuch: Mohrsche Waage, Schwebemethode Versuch: Ausflußviskosimeter Versuch: Viskosimetcr nach Ostwald Versuch: Bestimmung der Viskosität nach Stokes Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Thermische Größen Theoretische Grundlagen Einführung Zustandsgieichung, Änderung des Aggregatzustandes Wärme, Wärmeleitung Messen thermischer Größen Versuche zur Wärmelehre: Bestimmung thermischer und kalorischer Größen Zusammenfassung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Zustandsgieichung idealer Gase, isotherme und isochore Zustandsänderung Versuch: Gefrierpunktserniedrigung, Bestimmung der molaren Masse Versuch: Mischungskalorimeter, spezifische Wärmekapazität fester Körper Versuch: Mischungskalorimeter, spezifische Wärmekapazität von Flüssigkeiten Versuch: Mischungskalorimeter, Schmelzwärme von Eis Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Elektrische Größen: Grundlagen, Gleichstromgrößen Theoretische Grundlagen Grundbegriffe der Elektrizitätslehre Schaltzeichen und Ersatzschaltbilder Kirchhoffsche Gesetze und Anwendungsbeispiele Elektrische Meßgeräte 98

4 Inhaltsverzeichnis XI 4.3. Versuche zur Schaltung von Strom- und Spannungsmesser, spezielle Meßverfahren Zusammenfassung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Schaltung elektrischer Meßgeräte Versuch: Kennlinien elektrischer Schaltelemente Versuch: Kenngrößen einer Spannungsquelle, Spannungsmessung mit stromführenden Voltmetern, Poggendorffsche Kompensation Versuch: Poggendorffsche Kompensation, Kalibrierung eines Thermoelementes Versuch: Wheatstonesche Brückenschaltung, Serien- und Parallelschaltung von Widerständen Versuch: Wheatstonesche Brückenschaltung, Widerstandsthermometer Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Zeitabhängige elektrische Größen: Wechselstromgrößen Theoretische Grundlagen Einführung Wechselstromgrößen Serienschaltung von R, L und C Elektrische Leistungen im Wechselstromkreis Geräte zur Messung von Wechselstromgrößen Versuche zum Verhalten von Wechselstromwiderständen Zusammenfassung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Wechselstromwiderstände bei der Serienschaltung von R, L und C Versuch: R-C-Kombinationen als Hoch- und Tiefpaß Versuch: Frequenzabhängigkeit des Wechselstromwiderstandes bei der Serienschaltung von R, L und C Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Zeitaufgelöste Darstellung elektrischer Größen Theoretische Grundlagen Einführung Einschaltvorgänge an der R-C-Kombination Differenzierglied und Integrierglied 148

5 XII Inhaltsverzeichnis 6.2. Meßgeräte für eine zeitlich aufgelöste Darstellung elektrischer Größen Registrierende Meßgeräte Elektronenstrahloszillograph Versuche mit dem Oszillographen Zusammenfassung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Messungen von Gleich- und Wechselspannungen und Zeitdifferenzen mit dem Oszillographen Versuch: Die ft-c-kombination als Differenzier- und Integrierglied Versuch: Oszillographische Darstellung der Kennlinien elektrischer Bauelemente Versuch: Periodendauermessungen über Lissajous-Figuren Versuch: Messung der Phasendifferenz über Lissajous-Figuren Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Schwingungen und Wellen Theoretische Grundlagen Einführung Die harmonische Schwingung Die ungedämpfte harmonische Welle Ausbreitung und Überlagerung von Wellen Messen akustischer Größen Versuche an Schwingungen und Wellen Zusammenfassung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Federwaage, Federpendel Versuch: Mathematisches Pendel Versuch: Bestimmung des Adiabatenexponenten Versuch: Schallgeschwindigkeit, Messung der Impulslaufzeit, Impulsechoverfahren Versuch: Schallgeschwindigkeit, Bestimmung der Wellenlänge durch Phasenvergleich Versuch: Schallgeschwindigkeit, Bestimmung der Wellenlänge aus der Amplitudenverteilung einer stehenden Welle Versuch: Schallgeschwindigkeit, Bestimmung der Wellenlänge aus der Resonanz einer Luftsäule Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium 200

6 Inhaltsverzeichnis XIII 8. Optik: Linsen und Linsensysteme Theoretische Grundlagen Einführung Geometrische Optik Versuche zur optischen Abbildung Zusammenfassung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Brennweite dünner Linsen, Anwendung der Linsenformel Versuch: Brennweite dünner Linsen, Bessel-Methode Versuch: Sphärische und chromatische Aberration einer Sammellinse Versuch: Brennweite einer Zerstreuungslinse Versuch: Augenmodell Versuch: Vergrößerung einer Lupe Versuch: Mikroskop ' Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Optische Strahlung, Wellenoptik Theoretische Grundlagen Optische Strahlungsgrößen Phänomene der Wellen- und Quantenoptik Optische Meßgeräte Spezielle optische Untersuchungsmethoden Zusammenfassung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Polarimeter, Malussches Gesetz Versuch: Polarimeter, Saccharimetrie Versuch: Gitterspektrometer, Messung optischer Wellenlängen Versuch: Prismenspektrometer, Spektralanalyse Versuch: Photometer, Lambert-Beersches Gesetz Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Ionisierende Strahlen Theoretische Grundlagen Einführung Wechselwirkung von Korpuskularstrahlung mit Materie Wechselwirkung energiereicher elektromagnetischer Strahlung mit Materie 253

7 XIV Inhaltsverzeichnis Messen ionisierender Strahlung Meßgeräte Dosimetrie Versuche mit dem Geiger-Miiller-Zählrohr: Grundprobleme des Strahlenschutzes Zusammenfasssung von Lernstoff und Lernzielen Versuch: Geiger-Müller-Zählrohr Versuch: Absorption monoenergetischer y-strahlung Versuch: Absorption polychromatischer Röntgenstrahlung Versuch: Absorption von /3-Strahlung Versuch: Geometrisches Abstandsgesetz für ionisierende Strahlung Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Anhang: Elementare Differentialgleichungen und ihre Lösungsfunktionen Die Exponentialfunktion Die harmonische Schwingung 288 Sachverzeichnis 293