Physikalisches Kurspraktikum für Mediziner und Naturwissenschaftler

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1 Physikalisches Kurspraktikum für Mediziner und Naturwissenschaftler Von Jan van Calker und Hans-Rudolf Kleinhanß Mit 94 Abbildungen und 10 Tabellen F. K. Schattauer Verlag Stuttgart-New York

2 Einleitung 1 Physikalische Grundbegriffe 1 Grundlagen des experimentellen Arbeitens 4 1. Fehlerrechnung Statistik Theoretische Grundlagen Fehler und ihre Ursachen Statistische Gesetzmäßigkeiten Verteilungsfunktionen Auswertung endlicher Meßreihen Fehlerfortpflanzung Versuche zur Fehlerrechnung und Statistik t Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte Versuch : Protokollführung und Auswertung bei statistisch verteilten Meßgrößen Versuch: Beobachtungsfehler bei einer Geschwindigkeitsmessung Versuch: Zählmethoden im klinischen Labor Versuch: Zählstatistik beim radioaktiven Zerfall Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Mechanische Größen Theoretische Grundlagen Einführung Kraft und abgeleitete Größen Mechanische Eigenschaften von Flüssigkeiten Messen mechanischer Größen Versuche zur Mechanik der Flüssigkeiten Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte Versuch: Meßprinzip der Mohrschen Waage Versuch: Mohrsche Waage, Volumenkontraktionen Versuch: Mohrsche Waage, Schwebemethode Versuch: Ausflußviskosimeter 47

3 Versuch: Viskosimeter 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 Wärmemenge, Wärmeleitung Messen thermischer Größen Versuche zur Wärmelehre: Bestimmung thermischer und kalorischer Größen Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte Versuch: Gasthermometer, Bestimmung des isochoren Spannungskoeffizienten 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, GleichstromgröBen Theoretische Grundlagen Grundbegriffe der Elektrizitätslehre Schaltzeichen und Ersatzschaltbilder Kirchhoffsche Regeln und Anwendungsbeispiele Elektrische Meßijeräte Versuche zur Schaltung von Strom- und Spanmmgsmesser, spezielle M eßverfahren Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte Versuch: Schaltung elektrischer Meßgeräte Versuch: Kennlinien elektrischer Schaltelemente 95

4 Versuch: Kenngrößen einer Spannungsquelle, Spannungsmessung mit stromführenden Voltmetern, Poggendorffsche Kompensation Versuch: Poggendorffsche Kompensation, Eichung 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: VVechselstromgrößen Theoretische Grundlagen Einführung Wechselstromgrößen III Serienschaltung von R, L und C Elektrische Leistungen im Wechselstromkreis Geräte zur Messung von Wechselstromgrößen Versuche zum Verhalten von Wechselstromu ider.ständen Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte Versuch: Wechselstromwiderstände bei der Serienschaltung von R, L und C Versuch: K-C-Kombination 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 Meßgeräte für eine zeitlich aufgelöste Darstellung elektrischer Größen Registrierende Meßgeräte Der Elektronenstrahloszillograph 136

5 6.3. Versuche mit dem Oszillographen Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte Versuch: Gleich- und Wechselspannungsmessungen mit dem Oszillographen Versuch: Die Ä-C-Kombination als Differenzier- und Integrierglied Versuch: Oszillographische Darstellung der Kennlinien elektrischer Bauelemente Versuch: Periodendauermessungen mit dem Oszillographen Versuch: Periodendauermessung über Lissajous-Figuren Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Schwingungen und Wellen Theoretische Grundlagen Einführung Die ungedämpfte harmonische Schwingung Die ungedämpfte harmonische Welle Interferenz von Wellen Superposition transversaler Schwingungen, Polarisation transversaler Wellen Energie von Schwingungen und Wellen Elektroakustischer Wandler Versuche an Schwingungen und Wellen Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte Versuch: Federwaage, Federpendel Versuch: Mathematisches Pendel Versuch: Bestimmung des Adiabatenexponenten Versuch: Schallgeschwindigkeit, Bestimmung der Wellenlänge durch Phasen vergleich Versuch: Schallgeschwindigkeit, Bestimmung der Wellenlänge aus der Amplitudenverteilung einer stehenden Welle Versuch: Schallgeschwindigkeit, Bestimmung der Wellenlänge durch Resonanz einer Luftsäule Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium 174

6 8. Optische Größen und Untersuchungsmethoden Theoretische Grundlagen Einführung Geometrische Optik Phänomene der Wellen-und Quantenoptik Optische Meßgeräte Versuche zur optischen Abbildung Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte 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: Vergrößerung einer Lupe Versuch: Mikroskop Anwendungsbeispiele zu den Versuchen und Anregungen zum Selbststudium Spezielle optische Untersuchungsmethoden Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte Versuch: Polarimeter, Malussches Gesetz Versuch: Polarimeter, Saccharimetrie Versuch: 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 Messen ionisierender Strahlung Meßgeräte Dosimetrie 221

7 9.3. Versuche mit dem Geiger-Miiller-Zälilrohr: Grimdprobleme des Strahlenschutzes Zusammenfassung der Lernziele und stofflichen Inhalte Versuch: Geiger-Müller-Zählrohr Versuch: Absorption monoenergetischer y-strahlung Versuch: Absorption polychromatischer Röntgenstrahlung Versuch: Absorption von ß-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 253 Sachverzeichnis 258

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