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Doris VollmerMax-Planck Institut für Polymerforschung, Mainz
Wintersemester 2012/13
http://www.mpip-mainz.mpg.de/~vollmerd/teaching_page.html
Email: [email protected]
Einführung in die Physik für Studierende der Medizin, Zahnmedizin und Pharmazie
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Allgemeine Informationen
• Ein-semestrige Vorlesung
• Experimente spielen eine wichtige Rolle,
Mathematik auf notwendiges Maß beschränkt
• Vorbereitung der Versuche: Herr Motzko
• Folien stelle ich nach der Vorlesung ins Netz
(meine Homepage)
• Ziel: Vorbereitung auf die Klausur
Vermittlung des Basiswissens fürs Physikum
=> Geht über das Praktikum hinaus!
Literatur
Physik für Mediziner. Eine Einführung (Springer-Lehrbuch)30 €
Trautwein / Kreibig / HüttermannPhysik für Mediziner, Biologen, Pharmazeuten29,95 €
Horst LautenschlagerAbitur-Training Mathematik Analysis für G813,95 €
Physik Oberstufe –Neue Ausgabe -Westliche Bundesländer , Cornelsen35,95 €
Ferner: Siehe Skript
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Aufgaben und Methodik der Physik
„Keine menschliche Forschung kann man wahre Wissenschaft heißen, wenn sie ihren Weg nicht durch mathematische Darlegung und Beweisführung hin nimmt. Sagst du, die Wissenschaften, die von Anfang bis Ende im Geiste bleiben, hätten Wahrheit, so wird dies nicht zugestanden, sondern verneint aus vielen Gründen, und vornehmlich deshalb, weil solchem geistigen Abhandeln dieErfahrung (oder das Experiment) nicht vorkommt; ohne diesaber gibt sich kein Ding mit Sicherheit zu erkennen.“
Leonardo da Vinci, 1452 - 1519
„Das Buch der Natur ist in der Sprache der Mathematik geschrieben“
Galileo Galilei, 1564 - 1642
Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig?
Welcher der beiden orangefarbenen Kreise ist größer?
Titschener'sche Täuschung:
Welcher der beiden orangefarbenen Kreise ist größer?
Sie sind gleich groß! Die Größe eines Objekts wird
abhängig von seiner Umgebung wahrgenommen.
Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig?
Sind die Linienparallel zueinanderoder gekrümmt?
Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig?
Die beiden horizontalen Linien sind parallel.
Durch das Strahlenbündel erscheinen sie gekrümmt.
Hering'sche Täuschung
Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig?
Wieso mathematische Beschreibung:
Erklärung: „Unmögliche“ Objekte ergeben sich aus dem Bestreben unserer Wahrnehmung heraus, in zweidimensionale Abbildungen nach Möglichkeit immer eine dritte Dimension hinein zu interpretieren. Diese Tendenz ist so stark, dass wir selbst bei Formen, die unserer Erfahrung nach real nicht existieren können, die räumliche Betrachtungsweise nicht abstellen können.
Wieso ist eine mathematische Beschreibung notwendig?
Physikalische Arbeitsmethode
Fazit Messgeräte unabdingbar, um Beobachtungen unabhängig von Sinneseindrücken zu machen („neutrale Beobachter“). • quantifizierbar • reproduzierbar • unbestechlich
...aber nicht nur Sammeln von Information wichtig. Intuition und das Zusammenfügen verschiedenartiger Information ist ebenso notwendig, um Neues zu finden.
=> Dies macht Forschung spannend!
Physikalische Arbeitsmethode
Induktive Methode:
Beobachtung eines Vorgangs
Experiment zur qualitativen und quantitativen Untersuchung des Vorgangs
Modell zur Beschreibung des Vorgangs (und evtl. weiterer)
Gesetz (Verallgemeinerung auf ähnliche Fälle)
Vorhersage neuer Phänomene
Klassische Gebiete der Physik– Mechanik– Wärmelehre– Elektrizitätslehre– Optik
Moderne Physik– Atom-, Kern- und Teilchenphysik– Festkörperphysik– Nanophysik, Biophysik, …..
⇒ Beschreibung der unbelebten Natur
Mathematische Formulierung der Gesetzmäßigkeiten (Theorie)
Überprüfung der theoretischen Vorhersagen durch Experimente13
Physikalische Themen im Wandel
PhysikMedizin
Die Medizinwar zu jeder Zeit eng verbunden mit
physikalischen, chemischen und biologischen,naturwissenschaftlichen
Erscheinungen
Teil der allgemeinen Lehre von der Natur.Siehe z.B. im 19. Jhdt.:H.
v. Helmholtz 1821-1894 Augen, SpiegelR. Mayer 1814-1878 EnergiesatzJ.L.M. Poiseuille 1799-1869 BlutströmungJ.W. v. Goethe 1749-1832 physikalische/(sinnes-) physiologische
Studien (Farbenlehre) (Schloss Freudenberg
Helmholtz
Warum Physik für Sie?
Physik ist Mutter aller Naturwissenschaften.
Physikalische Vorgänge sind Bestandteile der Natur und der
Lebensvorgänge. Bewegungsapparat Mechanik (Hebelgesetze)
Nerven, Gehirntätigkeit Elektromagnetismus Auge Optik
Physikalische Methoden sind Grundlage vieler Laborunter-
suchungen. Als Naturwissenschaftler müssen Sie die Funktion
und die Grenzen von Messgeräten beurteilen können. Mikroskop Optik
Altersbestimmung Kernphysik (Radioaktivitat)
Warum Physik für Sie?
Physik gehört zur kulturellen Bildung. Physikalisches Grundwissen ist notwendig, um über wesentliche Probleme fundiert mitdiskutieren zu können.
• Energieproblematik • Radioaktivität • Mikrowelle, etc.
• Physik ist faszinierend!
Einführung
Größen und Einheiten
Beispiele für Größenordnungen
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Einführung
Größen und Einheiten
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Größen und Einheiten
Gesetze der Physik liefern Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen wie Länge, Zeit, Kraft, …
Eine physikalische Größe a ist ein Produkt aus Zahlenwert {a} und Einheit [a]:
a = {a} [a]
z.B.: t = 2,5 s
Die Einheiten aller physikalischen Größen lassen sich auf eine überschaubare Zahl fundamentaler Einheiten (Basiseinheiten) zurückführen.
Die Wahl der Basiseinheiten bestimmt das Maßsystem. WichtigstesMaßsystem ist das SI (Systeme Internationale).
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Größen und Einheiten
Abgeleitete physikalische Größen erhalten eine Dimension.
Die Dimension ist die algebraische Kombination der Basisgrößen
Beispiel: Die Dimension der Kraft ist
[F] = N = Masse × Länge / Zeit2
Merke:
Bei allen berechneten Größen soll man überprüfen, ob sie die richtige Dimension haben.
Niemals "Äpfel und Birnen" addieren !!
Dimensionsanalysen können Anhaltspunkte für ein gesuchtes Naturgesetz liefern
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Größen und Einheiten
Basisgrößen Basiseinheit
Länge Meter (m)Zeit Sekunden (s)Masse Kilogramm (kg)Temperatur Kelvin (K)Elektrische Stromstärke Ampere (A)Lichtstärke Candela (cd)Stoffmenge Mol (mol)
Die Einheit jeder physikalischen Größe kann aus den SI-Einheiten abgeleitet werden.Die Einheiten einiger Größen besitzen noch eine eigene Bezeichnung (Dimension), z.B. für die Kraft F [F] = kg m s-2 = N (Newton)
Größen und Einheiten
Das Internationale System (SI)
Bezeichnungen für GrößenordnungenBequeme Abdeckung der Größenordnungen für die einzelnen Größen über Vielfache und Bruchteile der Einheiten
Peta- P 1015
Tera- T 1012
Giga- G 109
Mega- M 106
Kilo- k 103
Zenti- c 10-2
Milli- m 10-3
Mikro- µ 10-6
Nano n 10-9
Pico- p 10-12
Femto- f 10-15
Größen und Einheiten
Beispiele
Beispiele für Größenordnungen
Größenordnungen
• Weltall 1026
• Galaxis 1020
• Sonnensystem 1014
• Erde 107
• Mensch 100
• DNA 10-7
• Atom 10-10
• Atomkern 10-14
• Proton 10-15
Längenskalen in m
Größenordnungen
Längenskalen in m
• Weltall 1026
• Galaxis 1020
• Sonnensystem 1014
• Erde 107
• Mensch 100
• DNA 10-7
• Atom 10-10
• Atomkern 10-14
• Proton 10-15
Astronomie
Bio- Nanophysik,Medizin
Atom- Kernphysik
Chemie
Größenordnungen
Zeitintervalle in Sekunden• Lebensdauer des W-Bosons 10-24
• Schwingungsperiode von sichtbarem Licht 10-15
• Laufzeit des Lichts durch das Auge (3 cm) 10-10
• Taktzeit eines Pentiumprozessors 10-9
• Blitz beim Fotoapparat 10-5
• Nervenleitung (1 m) 10-2
• Kürzeste Reaktionszeit 2 10-1
• Konzentrationszeit 5 103
• Studiendauer 2 107
• Lebensdauer eines Menschen 3 109
• Unsere Milchstraße 3 1017
• Alter des Universums (15 Mrd Jahre) 5 1017
• Mittlere Lebensdauer eines Protons >5 1032
Größenordnungen
Massenwerte in kg• Elektron 10-30
• Proton 10-27
• Aminosäure 10-25
• Hämoglobin 10-22
• Virus 10-20
• Salzkorn 10-8
• Menschliches Haar 10-6
• DIN A6 Blatt 10-3
• Mensch 10+2
• Großer LKW 10+4
• Pyramide 10+10
• Sonne 10+24
Größenordnungen
The power of ten
http://www.youtube.com/watch?v=0fKBhvDjuy0
(Video zur Veranschaulichung der enormen Unterschiede in den Größenordnungen)
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Lesen Sie nach !Planen Sie feste Zeiten für Physik ein !
Und vor allem:Verstehen ist besser als Auswendiglernen !
(auch wenn einiges trotzdem auch auswendig gelernt werden muss,Symbole für Größen und Einheiten)
