Physik für Mediziner

Das vorliegende Script ist in den vergangenen Jahren als Begleitmaterial zur Vorlesung Physik für Mediziner an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entstanden und wurde den Studierenden unter anderem über das Internet zur Verfügung gestellt. Die nunmehr vorliegenden Druckfassung des Scripts soll auch weiterhin in erster Linie das Verständnis der Vorlesung erleichtern und kann keinesfalls ein Lehrbuch ersetzen. Wir haben uns bemüht, die grundlegenden physikalischen Begriffe und Zusammenhänge zu vermitteln, die für das Medizinstudium und die spätere ärztliche Tätigkeit von Bedeutung sind. In allen Kapiteln wurde der Gegenstandskatalog für die Ärztliche Vorprüfung ausreichend berücksichtigt. In einige Kapitel, wie zum Beispiel bei der Behandlung Bildgebender Verfahren, haben wir zusätzlich Gegenstände aufgenommen, die wir sowohl für die kommenden klinischen Studienabschnitte als auch die zukünftige berufliche Tätigkeit für notwendig halten

Inhalt

1. Mathematische Grundlagen 1.1. Funktionen 1.1.1. Begriff der Funktion 1.1.2. Potenz-, Exponential- und Logarithmusfunktionen 1.1.3. Trigonometrie undWinkelfunktionen 1.2. Differentiation und Integration 1.2.1. Differentiation 1.2.2. Integration 2. Grundlagen des Messens und Modellbildung in der Physik 2.1. Physikalische Beschreibung der Natur 2.1.1. Axiomatik der Physik 2.1.2. Physikalische Methoden in den Lebenswissenschaften 2.2. Physikalische Größen und Einheiten 2.2.1. Basisgrößen 2.2.2. Maßzahlen 2.3. Messstatistik und Fehlerrechnung 2.3.1. Arten von Messabweichungen 2.3.2. Statistische Messunsicherheiten 2.3.3. Fehlerfortpflanzung 2.3.4. Korrelation, statistische Tests 2.3.5. Grafische Darstellung abhängiger Größen 3. Mechanik starrer Körper 3.1. Kinematik Bewegungslehre 3.1.1. Translation 3.1.2. Kreisförmige Bewegung 3.2. Dynamik 3.2.1. Newtonsche Axiome 3.2.2. Verschiedene Kräfte 3.2.3. Trägheitskräfte, Kräftegleichgewicht 3.2.4. Arbeit, Energie 3.2.5. Leistung, Kraftstoß, Impuls 3.3. Erhaltungssätze der Mechanik 3.3.1. Energieerhaltungssatz 3.3.2. Impulserhaltungssatz 3.4. Rotation ausgedehnter Körper 3.4.1. Freiheitsgrade, Schwerpunkt, Gleichgewicht 3.4.2. Drehmoment und Hebel 3.4.3. Trägheitsmoment, Drehimpuls 3.4.4. Analogien physikalischer Größen bei Translation und Rotation 4. Mechanik deformierbarer Körper, Fluidmechanik 4.1. Aufbau der Materie 4.1.1. Bausteine der Materie 4.1.2. Makroskopische Beschreibung 4.2. Stoffmengenbezogene Größen 4.3. Elastische Verformung von Festkörpern 4.4. Flüssigkeiten und Gase, statische Prozesse 4.4.1. Druck 4.4.2. Grenzflächen, Oberflächenspannung 4.5. Dynamik von Flüssigkeiten und Gasen 4.5.1. Inkompressible Flüssigkeit, Kontinuitätsgleichung 4.5.2. Ideale Flüssigkeit, Bernoulli-Gleichung 4.5.3. Viskosität 4.5.4. Strömungswiderstand, Volumenarbeit 4.5.5. Laminare und turbulente Strömung 4.5.6. Gesetz von Hagen-Poiseuille 4.5.7. Messung von Strömungsgrößen 5. Schwingungen und Wellen 5.1. Schwingungen 5.1.1. Beschreibung von Schwingungen 5.1.2. Erzwungene Schwingungen, Resonanz 5.1.3. Überlagerung von Schwingungen 5.2. Wellen 5.2.1. Kennwerte 5.2.2. Ausbreitung von Wellen 5.2.3. Dopplereffekt 5.3. Schall, Schallfeldgrößen 5.4. Gehör und Stimme 5.4.1. Das menschliche Gehör 5.4.2. Hörakustik 5.4.3. Hörstörungen 5.4.4. Phonation der Stimme 5.5. Ultraschall 5.5.1. Erzeugung, Nachweis und Ausbreitung von Ultraschall 5.5.2. Ultraschall in Diagnostik und Therapie 5.5.3. Wechselwirkung von Ultraschall mit Materie, biologischeWirkung 6. Wärmelehre 6.1. Temperatur als Zustandsgröße 6.1.1. Temperaturskalen 6.1.2. Thermische Ausdehnung 6.2. Gase 6.2.1. Zustandsgleichung idealer Gase 6.2.2. Gasgemische 6.2.3. Reale Gase 6.2.4. Kinetische Gastheorie 6.3. Wärme als Energie 6.3.1. Wärmemenge,Wärmekapazität 6.3.2. Kalorimetrie 6.3.3. Adiabatische Zustandsänderungen 6.3.4. Die Hauptsätze der Wärmelehre 6.4. Transportvorgänge, Stoffgemische 6.4.1. Wärmetransportprozesse 6.4.2. Diffusion 6.4.3. Osmose 6.5. Phasen und Phasenübergänge 6.5.1. Phasenübergänge 6.5.2. Dampfdruck 6.5.3. Luftfeuchtigkeit 6.5.4. Dampfdruckerniedrigung bei Lösungen 6.5.5. Absorption von Gasen 6.6. Einige Anwendungen in der Medizin 6.6.1. Zur Wärmebilanz des Körpers 6.6.2. Gasvolumina in der Lungenfunktionsdiagnostik 6.6.3. Wirkung tiefer Temperaturen auf biologisches Gewebe 7. Elektrizitätslehre 7.1. Elektrostatik 7.1.1. Elektrisches Feld 7.1.2. Potential und Spannung 7.1.3. Dipol 7.1.4. Geladener Kondensator 7.1.5. Polarisation und Influenz 7.1.6. Auf- und Entladung von Kondensatoren 7.2. Membranpotentiale 7.2.1. Nernst-Gleichung 7.2.2. Membranpotential an Zellen 7.3. Gleichstromkreis 7.3.1. Elektrische Leitung,Widerstand 7.3.2. Kirchhoffsche Gesetze, Reihen und Parallelschaltung 7.3.3. Innenwiderstand von Spannungsquellen 7.4. Wechselstromkreis 7.4.1. Wechselspannung 7.4.2. Widerstand bei Wechselstrom 7.4.3. Elektrische Filter 7.5. Magnetismus 7.5.1. Magnetisches Feld 7.5.2. Lorentz-Kraft 7.5.3. Stromdurchflossene Leiter 7.5.4. Selbstinduktion, Induktivität 7.5.5. Transformator 7.5.6. Elektromagnetische Schwingungen 7.6. Elektrische Leitung in Festkörpern, Gasen, Flüssigkeiten 7.6.1. Austrittsarbeit in Metallen 7.6.2. Glühemission und Photoeffekt 7.6.3. Metalle und Halbleiter 7.6.4. Gasentladung 7.6.5. Elektrolyte 7.6.6. Galvanische Elemente 7.7. Organische Wirkung und Gefährdung 8. Mess- und Regelprozesse 8.1. Messwertaufnahme und -verarbeitung 8.1.1. Messwertaufnehmer (Sensoren) 8.1.2. Signal und Information 8.2. Regelprozesse 8.2.1. Steuerung und Regelung 8.2.2. Biologische Regelkreise 9. Optik 9.1. Natur von Licht 9.2. Brechung und Reflexion 9.2.1. Lichtstrahlen 9.2.2. Reflexion 9.2.3. Optische Dichte, Brechung 9.2.4. Dispersion 9.3. Optische Abbildungen 9.3.1. Brennweite und Brechkraft 9.3.2. Abbildung an dünnen Linsen 9.3.3. Bildkonstruktion für dicke Linsen und Linsensysteme, Kardinalpunkte 9.3.4. Optische Vergrößerung einer Linse 9.3.5. Abbildungsfehler 9.4. Wellenoptik 9.4.1. Polarisation 9.4.2. Interferenz, Beugung, Kohärenz 9.5. Mikroskop 9.5.1. Lichtmikroskop 9.5.2. HochauflösendeMikroskopie 9.6. Das Auge 9.6.1. Optische Abbildung im Auge (Dioptrik) 9.6.2. Funktion des Auges 9.6.3. Augenfehler 9.7. Emission und Absorption von Strahlung 9.7.1. Strahlungsmessgrößen 9.7.2. Lichtmessung (Photometrie) 9.7.3. Absorption von Strahlung, Extinktion von Licht 9.7.4. Wärmestrahlung 10.Atom- und Kernphysik 10.1. Grundannahmen der Atomphysik 10.1.1. Licht und Quanten, Photoeffekt 10.1.2. Atomarer Aufbau, Bohrsches Atommodell 10.2. Entstehung von elektromagnetischer Strahlung 10.2.1. Energieübergänge 10.2.2. Spektren 10.2.3. Laser 10.2.4. Röntgenstrahlung 10.3. Atomkern 10.3.1. Aufbau des Atomkerns 10.3.2. Radioaktivität 10.3.3. Gesetz des radioaktiven Zerfalls 10.3.4. Natürliche und künstliche Radioaktivität 10.4. Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie 10.4.1. Wechselwirkungsprozesse 10.4.2. Schwächungsgesetz 10.5. Dosimetrie 10.5.1. Dosimetrische Größen 10.5.2. Nachweis ionisierender Strahlung 11.Radiologie 11.1. Biologische Wirkung ionisierender Strahlen 11.1.1. Wirkprozesse 11.1.2. Strahlenrisiko 11.2. Strahlenschutz 11.3. Strahlentherapie 11.3.1. Strahlenarten, Strahlenquellen 11.3.2. Verteilung der Dosis im Körper 11.4. Diagnostik mit bildgebenden Verfahren 11.4.1. Planare Abbildung 11.4.2. Digitale Bildaufnahme 11.4.3. Transmissions-Tomographie 11.5. Röntgendiagnostik 11.5.1. Planare Radiographie 11.5.2. Computer-Tomographie (CT) 11.6. Nuklearmedizin 11.6.1. Offene Radionuklide 11.6.2. Szintigraphie, Anger-Kamera 11.6.3. Emissions-Computer-Tomographie, SPECT 11.6.4. Positronen-Emissions-Tomographie (PET) 11.7. Magnetresonanz-Tomographie 11.7.1. Prinzip der Kernresonanz (MR) 11.7.2. Tomographie (MRT) A. Anhang: Wichtige Größen und Konstanten