Physik und Physikalisches Praktikum Mit Fehlerrechnung und Statistik Ein Lehrbuch speziell für MTA

Es gibt in der Bundesrepublik bisher kein Physildehrbuch, das speziell auf die Bedürf­ nisse von MTA-Schüler(innen) zugeschnitten ist. Dieser Zustand ist sowohl für die Lernenden als auch für die Lehrkräfte gleichermaßen unerfreulich. Dies ist der Grund für das Entstehen dieses Buches. Es soll den MTA-Schülerinnen und -Schülern er­ möglichen, sich neben dem Unterricht in einer verständlichen, ausführlichen und ihrem Niveau entsprechenden Darstellung mit der Physik vertraut zu machen. Wir haben außerdem den in Physikbüchern bisher nicht üblichen Versuch gemacht, neben dem Vorlesungsstoff ein dazu passendes Praktikum darzustellen und zwar mit echten Meßergebnissen sowie mit der dazugehörigen Auswertung und der entsprechenden Fehlerrechnung. Wir stellen Ihnen dazu insgesamt 23 Praktikumsversuche vor. Die Messungen sowie Auswertungen des Praktikumteils sind von den Schülerinnen und Schülern der Lette­ Schule in Berlin unter Aufsicht des Autors durchgeführt worden. Um den Bedürfnissen besonders derjenigen zu entsprechen, für die dieses Buch gedacht ist, nämlich der MT A, haben wir zwei Schülerinnen der Lette-Schule als Mitarbeiterinnen gewinnen können. Sie haben geholfen, das vorliegende Buch - was Gliederung, Darstellung und Verständlichkeit angeht - mitzugestaIten. Die beiden haben inzwischen ihr Examen abgelegt. Viele Lehrende sind im MTA-Unterricht häufig nur nebenberuflich tätig. Ihnen soll das vorliegende Buch ein wenig helfen, einen möglichst optimalen Unterricht bieten zu können. Vielleicht läßt sich in der Bundesrepublik mit Hilfe dieses Buches auf dem Gebiet des Physikunterrichts für das medizinische Fachpersonal eine gewisse Verein­ heitlichung erreichen.

1 Grundlagen der Statistik.- 1.1 Statistische Fehler.- 1.2 Systematische Fehler.- 1.3 Mittelwert.- 1.4 Merkmalsträger, Merkmal, Merkmalsausprägung.- 1.5 Grundgesamtheit und Stichprobe.- 1.6 Streumaße der Statistik.- 1.6.1 Standardabweichung der Einzelwerte.- 1.6.2 Gauß- bzw. Normalverteilung.- 1.6.3 1. Praktikumsaufgabe (Messung der Länge eines Drahtes).- 1.6.4 Standardabweichung der Mittelwerte.- 1.6.5 Fehlerfortpflanzung.- 1.6.6 Größtfehler.- 1.7 Statistik mit Wertepaaren.- 1.7.1 Geradengleichung.- 1.7.2 Ausgleichsgerade (lineare Regression).- 1.7.2.1 2. Praktikumsaufgabe (Berechnung einer Ausgleichsgeraden bei der Messung an einer Federwaage).- 2 Einheiten der Physik.- 2.1 Historisches.- 2.2 Gesetzliche Einheiten, Basiseinheiten.- 2.2.1 Masse.- 2.2.1.1 Relativistische Masse.- 2.2.1.2 Schwerpunkt.- 2.2.2 Länge.- 2.2.2.1 Messung von Längen.- 2.2.2.2 3. Praktikumsaufgabe (Messung des Volumens eines Drahtes).- 2.2.3 Zeit.- 2.2.3.1 Relativistische Zeit.- 2.2.4 Stoffmenge, Atomgewicht, atomare Masseneinheit.- 2.2.5 Temperatur.- 2.2.5.1 Thermometer.- 2.2.6 Stromstärke, Ladung.- 2.2.7 Lichtstärke und andere Größen der Photometrie.- 2.2.7.1 4. Praktikumsaufgabe (Liehtstärkemessungen).- 3 Physik fester Körper.- 3.1 Geschwindigkeit.- 3.1.1 Mittlere Geschwindigkeit.- 3.1.2 Momentangeschwindigkeit.- 3.2 Beschleunigung.- 3.2.1 5. Praktikumsaufgabe (Messung der Erdbeschleunigung mit Hilfe eines Fadenpendels).- 3.3 Kraft.- 3.3.1 Spezielle Kräfte.- 3.3.1.1 Kernkräfte.- 3.3.1.2 Elektrische Kräfte.- 3.3.1.3 Kräfte der schwachen Wechselwirkung.- 3.3.1.4 Gravitationskräfte.- 3.3.2 Hookesches Gesetz.- 3.3.2.1 Federwaage.- 3.4 Impuls.- 3.5 Arbeit, Energie.- 3.5.1 Potentielle Energie.- 3.5.2 Kinetische Energie.- 3.5.3 Energieerhaltungssatz, 1. Hauptsatz der Thermodynamik.- 3.5.4 2. Hauptsatz der Thermodynamik.- 3.5.5 Leistung.- 4 Physik von Gasen und Flüssigkeiten.- 4.1 Druck.- 4.2 Bernoullisches Gesetz.- 4.2.1 Statischer Druck.- 4.2.2 Dynamischer Druck.- 4.3 Auftrieb.- 4.4 Dichte und Wichte.- 4.4.1 6. Praktikumsaufgabe (Dichtebestimmung mit einem Pyknometer).- 4.4.2 7. Praktikumsaufgabe (Dichtebestimmung mit Hilfe der Jolly-Waage).- 4.4.3 Aräometer.- 4.5 Oberflächenspannung.- 4.5.1 8. Praktikumsaufgabe (Messung der Oberflächenspannung).- 4.6 Yiscosität.- 4.6.1 Stokessche Reibungskraft.- 4.6.2 9. Praktikumsaufgabe (Messung der Viskosität mit Hilfe der Kugelfallmethode).- 4.7 Strömung von Flüssigkeiten in einem Rohr.- 4.7.1 Laminare Strömungen.- 4.7.1.1 Kontinuitätsbedingung.- 4.7.1.2 Ohmsches Gesetz von Flüssigkeitsströmungen.- 4.7.2 Turbulente Strömungen.- 4.8 Gasgesetze.- 4.8.1 Spezielle Gasgesetze.- 4.8.2 Allgemeines Gasgesetz.- 4.9 Lösungen.- 4.9.1 Kolloidale Lösungen.- 4.9.2 Suspensionen.- 4.9.3 Mischungen.- 4.9.4 Emulsion.- 4.10 Massenwirkungsgesetz.- 4.10.1 Ionenprodukt von Wasser.- 4.10.2 pH-Wert.- 4.11 Diffusion.- 4.12 Osmose.- 4.13 Bindungsarten von Atomen.- 4.13.1 Ionenbindung.- 4.13.2 Kovalente bzw. homöopolare Bindung.- 4.13.3 Metallische Bindung.- 5 Wärmelehre.- 5.1 Spezifische Wärmekapazität.- 5.2 Wärmekapazität eines Körpers.- 5.2.1 10. Praktikumsaufgabe (Messung der spezifischen Wärmekapazität eines Metallkörpers).- 5.3 Dampfdruck.- 5.4 Siedepunkt.- 5.5 Schmelzwärme.- 5.6 Verdampfungswärme.- 5.7 Gefrierpunkterniedrigung.- 5.8 Lösungswärme.- 5.9 Kapillareffekt.- 6 Drehbewegungen.- 6.1 Winkelgeschwindigkeit.- 6.1.1 Definition des Winkels.- 6.1.1.1 Winkel in Gradmaß.- 6.1.1.2 Winkel in Bogenmaß.- 6.1.2 Zusammenhang zwischen Bahngeschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit.- 6.2 Winkelbeschleunigung.- 6.2.1 Zentrifuge.- 6.3 Drehmoment.- 6.3.1 Mohr-Westphal-Waage.- 6.3.1.1 11. Praktikumsaufgabe (Dichtemessung mit der Mohr-Westphal-Waage).- 6.3.2 Analysenwaage.- 6.3.2.1 Empfindlichkeit einer Analysenwaage.- 6.3.2.2 Auftriebskorrektur.- 6.3.2.3 12. Praktikumsaufgabe (Wägung mit einer Analysenwaage).- 7 Schwingungen und Wellen.- 7.1 Frequenz.- 7.2 Ungedämpfte Schwingung.- 7.3 Gedämpfte Schwingung.- 7.4 Wellen.- 7.4.1 Wellenlänge.- 8 Elektrizitätslehre, Gleichstrom.- 8.1 Elektrisches Feld.- 8.1.1 Kraftwirkung auf eine Ladung im elektrischen Feld.- 8.2 Coulomb-Kraft.- 8.3 Strom.- 8.4 Magnetfeld, magnetische Flußdichte.- 8.4.1 Hysteresiskurve.- 8.4.2 Magnetfeld eines Magneten.- 8.4.3 Ferromagnetismus.- 8.4.4 Paramagnetismus.- 8.4.5 Diamagnetismus.- 8.5 Elektrische Spannung.- 8.6 Ohmsches Gesetz.- 8.7 Serienkreis.- 8.7.1. Kirchhoffsches Gesetz.- 8.8 Parallelkreis.- 8.8.1 2. Kirchhoffsches Gesetz.- 8.9 Potentiometer (Spannungsteiler).- 8.10 Meßinstrumente.- 8.10.1 Amperemeter.- 8.10.1.1 Innenwiderstand eines Amperemeters.- 8.10.2 Voltmeter.- 8.11 13. Praktikumsaufgabe (Widerstandsmessung).- 8.12 14. Praktikumsaufgabe (Widerstandsmessung mit einer Wheatstone-Brücke).- 8.13 Innenwiderstand einer Spannungsquelle, Klemmspannung.- 8.13.1 15. Praktikumsaufgabe (Messung des Innenwiderstands sowie der EMK einer Spannungsquelle).- 8.14 Thermoelement, Thermospannung.- 8.14.1 Peltier-Effekt.- 8.14.2. 16. Praktikumsaufgabe (Messungen mit einem Thermoelement).- 8.15 Elektrische Leistung, Watt.- 8.16 Elektronenvolt.- 9 Elektrizitätslehre, Wechselstrom.- 9.1 Prinzipien der Erzeugung von Wechselstrom, Induktion.- 9.2 Technische Erzeugung von Wechselstrom.- 9.3 Transformator.- 9.3.1 17. Praktikumsaufgabe (Messungen mit dem Transformator).- 9.4 Effektivstrom, Effektivspannung.- 9.5 Spule, induktiver Widerstand.- 9.5.1 Serienschaltung von Spulen.- 9.5.2 Parallelschaltung von Spulen.- 9.6 Kondensator.- 9.6.1 Entladung eines Kondensators.- 9.6.2 Widerstand eines Kondensators im Wechselstromkreis.- 9.6.3 Serienschaltung von Kondensatoren.- 9.6.4 Parallelschaltung von Kondensatoren.- 9.7 Schwingkreis.- 10 Elektronik, Halbleiterelemente.- 10.1 Leiter.- 10.2 Isolatoren.- 10.3 Halbleiter.- 10.4 Die pn-Grenzschicht.- 10.5 Halbleiterdiode.- 10.6 Gleichrichterschaltungen.- 10.6.1 Graetz-Schaltung, Sechspuls-, Zwölfpulsgleichrichterschaltung.- 10.7 Transistor.- 10.8 Differenzverstärker.- 10.9 Kathodenstrahloszillograph.- 10.9.1 18. Praktikumsaufgabe (Demonstrationsversuche mit dem Oszillographen).- 11 Optik.- 11.1 Reflexion, Absorption, Streuung.- 11.2 Brechungsindex.- 11.3 Snelliussches Brechungsgesetz.- 11.4 Totalreflexion.- 11.5 Prisma.- 11.6 Linsen.- 11.6.1 Sammellinsen.- 11.6.1.1 Projektionslinse.- 11.6.1.2 Photographische Linse.- 11.6.1.3 Lupe.- 11.6.1.4 Linsengesetz.- 11.6.1.5 19. Praktikumsaufgabe (Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse).- 11.6.2 Mikroskop.- 11.6.2.1 Auflösungsvermögen.- 11.6.2.2 Vergrößerung.- 11.6.3 Elektronenmikroskop.- 11.6.3.1 Transmissionselektronenmikroskop.- 11.6.3.2 Oberflächenrasterelektronenmikroskop.- 11.6.4 Zerstreuungslinsen.- 11.6.4.1 20. Praktikumsaufgabe (Bestimmung der Brennweite einer Zerstreuungslinse).- 11.6.5 Brechkraft, Dioptrie.- 11.7 Schwächung von Licht in einer Lösung, Extinktion.- 11.7.1 Photometer.- 11.8 Wellenoptik.- 11.8.1 Interferenz.- 11.8.2 Kohärenz.- 11.8.3 Huygenssches Prinzip.- 11.8.4 Beugung am Spalt.- 11.8.5 Beugung am optischen Gitter.- 11.8.6 21. Praktikumsaufgabe (Wellenlängenbestimmung mit Hilfe von Newton-Ringen).- 12 Strahlenphysik.- 12.1 Atome.- 12.1.1 Atomkern.- 12.1.2 Nuklid.- 12.1.3 Isotop.- 12.1.4 Atomhülle.- 12.2 ?-Strahlung.- 12.2.1 ?-Strahlen-Spektrum.- 12.3 ?-Strahlung.- 12.3.1 ??-Strahlung.- 12.3.2 ?+-Strahlung.- 12.3.3 ?-Strahlen-Spektrum.- 12.4 ?-Strahlung.- 12.5 Andere Strahlung.- 12.6 Auger-Elektronen.- 12.7 Innere Konversion.- 12.8 Wechselwirkung zwischen y-Strahlung und Materie.- 12.8.1 Photoeffekt.- 12.8.2 Compton-Effekt.- 12.8.3 Paarbildung.- 12.8.4 Klassische Streuung.- 12.8.5 Kernphotoeffekt.- 12.9 Schwächungsgesetz.- 12.10 Kernspaltung.- 12.11 Radioaktives Zerfallsgesetz, Aktivität.- 12.11.1 Halbwertszeit.- 12.11.2 Mittlere Lebensdauer.- 12.11.3 Zusammenhang zwischen mittlerer Lebensdauer und Halbwertszeit.- 12.11.4 22. Praktikumsaufgabe (Messung der Halbwertszeiten der beiden Silberisotope 108Ag und 110Ag).- 12.12 Röntgenröhre.- 12.13 Diskrete Röntgenstrahlung.- 12.14 Röntgenbremsstrahlung.- 13 Dosimetrie.- 13.1 Ionendosis.- 13.2 Ionendosisleistung.- 13.3 Energiedosis.- 13.4 Energiedosisleistung.- 13.5 Äquivalentdosis.- 13.6 Nachweisgeräte für ionisierende Strahlung.- 13.6.1 Ionisationswirkung in Gasen.- 13.6.1.1 Ionisationskammer.- 13.6.1.2 Proportionalkammer.- 13.6.1.3 Geiger-Müller-Zählrohr.- 13.6.2 Filmdosimeter.- 13.6.3 Thermolumineszenzdosimeter (TLD).- 13.6.4 Halbleiterdosimeter.- 13.6.5 Eisensulfatdosimeter.- 13.7 23. Praktikumsaufgabe (Poisson-Verteilung, Messung der Zerfälle eines Radiumpräparates).