Physik für Biologen und Mediziner:
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| Sprache: | Deutsch |
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Berlin ; Heidelberg
Springer Spektrum
[2013]
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| Umfang: | XIII, 274 Seiten Illustrationen |
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| adam_text | Titel: Physik für Biologen und Mediziner
Autor: Fritsche, Olaf
Jahr: 2013
Inhalt
1 Leben ist kernig................................................................................... i
Atome bestehen aus Elektronen, Kernen und viel leerem Raum........................................... 1
Atomkerne bestimmen den Elementtyp.................................................................. 2
Protonen und Neutronen sind die Kernbausteine......................................................... 2
Isotope unterscheiden sich durch die Zahl der Neutronen................................................ 3
Manche Enzyme bevorzugen leichte Isotope............................................................. 4
Im Kern wirken alle vier Grundkräfte..................................................................... 6
Bei der Bildung von Atomkernen wird Masse zu Energie................................................... 7
Wenig Energie macht stabil, viel Energie macht agil...................................................... 9
Instabile Atomkerne ordnen sich neu und strahlen radioaktiv............................................. 9
Kerne zerfallen in Reihen................................................................................ 12
Der radioaktive Zerfall ist ein Zufallsprozess ............................................................. 14
Eine Uhr für lange Zeiträume............................................................................ 15
Der Zerfall von Atomkernen kann Leben schaden........................................................ 17
2 Leben ist geladen................................................................................. 21
Eine Hülle aus Elektronen................................................................................... 21
Elektronen als Teilchen..................................................................................... 22
Bohrs Postulate schränken Elektronen ein................................................................ 23
Elektronen als Wellen....................................................................................... 26
Atome bieten Wahrscheinlichkeiten statt Gewissheit..................................................... 29
Das Orbitalmodell bringt Atome und Moleküle in Form................................................... 30
Vier Quantenzahlen kontrollieren die Elektronen im Atom................................................ 31
So wenig Energie wie möglich........................................................................... 34
Vom Atom zur DNA durch chemische Bindungen.......................................................... 34
Elektronenpaare halten Atome fest zusammen........................................................... 36
lonenbindungen sind ungerichtet....................................................................... 39
Schwache Bindungen wirken durch ihre große Zahl...................................................... 39
Moleküle unternehmen fein abgestufte Quantensprünge................................................ 41
3 Leben ist elektrisch.............................................................................. 43
Ladungen üben Kräfte aufeinander aus.................................................................... 43
Elektrische Felder vermitteln die Kraft weiter............................................................. 44
Elektrische Spannungen sind gespeicherte Energie........................................................ 46
Inhalt
Membranen sind elektrisch aufladbar.................................................................... 49
Unterschiedliche Ladungsverteilungen erzeugen ein Membranpotenzial................................. 50
Die Kapazität bestimmt die Menge der gespeicherten Energie............................................ 51
Das Membranpotenzial lässt Ionen arbeiten.............................................................. 53
Wanderne Ionen bilden einen elektrischen Strom........................................................ 54
Die Umgebung leistet Widerstand gegen den Ladungsfluss............................................... 55
Widerstand macht Energie zu Wärme.................................................................... 57
Die Membran als elektrisches Schaltbild................................................................... 57
Nerven arbeiten mit elektrischen Signalen............................................................... 59
Leben ist magnetisch............................................................................ 67
Zwei Seiten der gleichen Kraft.............................................................................. 67
Magnetismus entsteht durch bewegte Ladungen.......................................................... 68
Elektronen machen Materie magnetisch................................................................. 68
Magnetisch ist nicht gleich magnetisch.................................................................. 70
Nur vorübergehend magnetisch......................................................................... 71
Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder............................................................... 73
Die Kraft der magnetischen Felder......................................................................... 74
Wo geht es nach Norden?............................................................................... 76
Strom durch Bewegung im Magnetfeld.................................................................... 78
Ein Leiter im homogenen Magnetfeld.................................................................... 78
Induktion an veränderlichen Magnetfeldern............................................................. 79
Magnetische Selbsterhaltung............................................................................ 80
Die Energie des magnetischen Felds....................................................................... 81
Alles in vier Gleichungen................................................................................... 81
Erste Maxwell-Gleichung: Sich ändernde elektrische Felder erzeugen magnetische Wirbelfelder........... 82
Zweite Maxwell-Gleichung: Ein zeitlich variables Magnetfeld ruft ein elektrisches Feld hervor.............. 83
Dritte Maxwell-Gleichung: Elektrische Felder gehen von Ladungen aus................................... 83
Vierte Maxwell-Gleichung: Es gibt keine magnetischen Monopole........................................ 83
Leben ist farbig.................................................................................... 85
Licht hat Eigenschaften von Teilchen und Wellen.......................................................... 85
Licht als elektromagnetische Welle......................................................................... 85
Licht ist nur ein Teil des Spektrums....................................................................... 86
Ungestörtes Licht breitet sich geradlinig aus............................................................. 87
Weiß und Himmelblau durch Streuung..................................................................... 89
Oberflächen reflektieren Lichtstrahlen..................................................................... 90
Materie bremst Licht ab..................................................................................... 91
Brechung lenkt Licht auf neue Bahnen................................................................... 91
Totalreflexion sperrt Licht ein............................................................................ 92
Reflexion und Brechung treten meistens zusammen auf.................................................. 93
Farben ohne Farbstoffe .................................................................................... 94
Dünne Schichten reflektieren einfallendes Licht zweimal................................................. 94
Flügel, Federn und Panzer schimmern durch 3D-Strukturen............................................... 96
Farbige Fäden durch Lichtbeugung...................................................................... 96
Licht hat auch Teilchencharakter........................................................................... 98
Photonen sind die Teilchen des Lichts.................................................................... 98
Photonen übertragen bei Stößen Energie................................................................ 98
__________________________________________________________________________________Inhalt XI
Pigmente absorbieren Teile des Lichtspektrums........................................................... 99
Licht misst Konzentrationen............................................................................. 100
Moleküle müssen überschüssige Energie loswerden...................................................... 101
Kaltes Licht durch chemische Reaktionen.................................................................. 102
6 Leben sieht hin.................................................................................... 105
Sehen ist die Kunst, Licht umzulenken..................................................................... 105
Lochaugen liefern unscharfe Abbildungen................................................................. 106
Schärfe und Helligkeit schließen einander aus............................................................ 106
Linsenaugen sehen schärfer ............................................................................... 107
Die Krümmung gibt die Stärke vor....................................................................... 108
Gekrümmte Flächen haben zwei Brennpunkte........................................................... 109
Die Abbildung ist reell und verkleinert................................................................... 109
Linsen sind eng benachbarte Grenzflächen.............................................................. 110
Wir können Linsen auch zeichnerisch analysieren........................................................ 110
Linsen kombinieren ihre Kräfte.......................................................................... 112
Augen passen sich an Nah- und Fernsicht an............................................................. 112
Sammellinsen können näher ran......................................................................... 114
Das menschliche Auge ist nicht perfekt.................................................................. 116
Spiegelaugen sind bei speziellen Anforderungen überlegen.............................................. 117
Doppelt gesehen für die Dunkelheit..................................................................... 117
Spiegel und Spiegelbild................................................................................. 118
Gewölbte Spiegel fokussieren und zerstreuen Licht....................................................... 118
Spiegelaugen haben einen anderen Aufbau als Linsenaugen............................................. 119
Orientierung mit der Schwingungsebene des Lichts....................................................... 122
Polarisiertes Licht schwingt in Ebenen................................................................... 122
Doppelbrechung erzeugt zirkuläre Polarisation........................................................... 123
Komplexaugen erkennen die Schwingungsebene........................................................ 124
7 Leben ist dynamisch............................................................................. 127
Bewegung ist nicht immer gleich Bewegung............................................................... 127
Eindimensionale gerade Bewegungen................................................................... 128
Der freie Fall............................................................................................. 131
Kräfte ändern Bewegungen................................................................................ 132
Masse ist träge.......................................................................................... 134
Kraft beschleunigt Massen............................................................................... 135
Luftwiderstand ist eine Folge unzähliger Kollisionen...................................................... 136
Gravitation bringt Gewicht auf die Waage................................................................ 139
8 Leben kommt voran............................................................................. 143
Gehen ist ein komplexer biomechanischer Prozess........................................................ 143
Stehen ist eine Frage des Gleichgewichts................................................................. 144
Umkippen ist eine Drehbewegung....................................................................... 145
Beine arbeiten mit Hebelkraft............................................................................ 146
Eingebaute Stoßdämpfer................................................................................ 147
Federn speichern Energie................................................................................ 151
Schritte mit und ohne Arbeit............................................................................. 153
XII Inhalt__________________________
Energie bleibt erhalten.................................................................................. 154
Stöße sind elastisch oder zerstörerisch................................................................... 156
Reibung verhindert Wegrutschen........................................................................ 159
Schwingen wie ein Pendel.................................................................................. 160
Kräftegleichgewicht auf der Kreisbahn................................................................... 161
Pendeln ist energiesparend.............................................................................. 162
Wasser braucht keine Balken............................................................................... 164
Auftrieb ohne Aufwand.................................................................................. 164
Wasser kann zäh sein.................................................................................... 168
In Fluiden herrscht innere Reibung..................................... .................................. 169
Passiver Strom durch Rohre und Adern................................................................... 170
Durch das Wasser schrauben............................................................................. 173
Schwimmen wie ein Fisch im Wasser..................................................................... 174
Schwerer als Luft und trotzdem fliegen.................................................................... 177
Gleiten mit dynamischem Auftrieb....................................................................... 178
Mehr Kontrolle durch Flügelschlagen.................................................................... 179
9 Leben wahrt die Form........................................................................... 183
Zellen sind aufgepumpt.................................................................................... 184
Kräfte wirksam verteilen.................................................................................... 186
Zug und Druck im Wechselspiel.......................................................................... 186
Kräfte gezielt lenken..................................................................................... 188
Mannigfaltig verformt...................................................................................... 189
Zur Seite ausweichen.................................................................................... 189
Druck aus allen Richtungen.............................................................................. 191
Langsames Nachgeben.................................................................................. 192
Verzerrt durch unterschiedliche Kräfte................................................................... 193
Mit Gewalt verdreht..................................................................................... 194
Seitliche Kräfte verbiegen............................................................................... 195
Jenseits der Belastungsgrenze............................................................................. 196
10 Leben schwingt mit.............................................................................. 199
Tönende Schwingungen.................................................................................... 199
Vibrierende Stimmlippen................................................................................ 200
Schwingen um die Ruhelage............................................................................. 200
Die Frequenz bestimmt die Tonhöhe..................................................................... 201
Die Energie einer Welle.................................................................................. 204
Gemischte Schallwellen................................................................................. 205
Klangfarbe durch Resonanz.............................................................................. 206
Gedämpfte Ausbreitung.................................................................................... 207
Mehrere Geschwindigkeiten für Wellen.................................................................. 208
Schall in Festkörpern.................................................................................... 211
Bewegter Schall ........................................................................................ 211
Dämpfende Reibung.................................................................................... 213
Ausbreitung in allen Dimensionen....................................................................... 214
Wege um Hindernisse................................................................................... 215
Hören und Fühlen........................................................................................... 217
Zum Mitschwingen gezwungen......................................................................... 218
Inhalt XIII
Aus Amplitude wird Druck............................................................................... 218
Mit den Knochen hören................................................................................. 219
Doppelter Druck ist nicht doppelt so laut................................................................ 219
11 Leben braucht Wärme........................................................................... 225
Energie zum Leben......................................................................................... 226
Energieträger müssen gelöst sein........................................................................ 226
Gase verstecken sich in Flüssigkeiten..................................................................... 227
Flüssigkeiten mischen sich verschieden gut.............................................................. 227
Festkörper werden beim Lösen zerlegt................................................................... 228
Wärme ist Bewegung und Energie....................................................................... 229
Lösungsmittel bieten neue Bindungen................................................................... 231
Die Macht der Beliebigkeit............................................................................... 232
Lösungen ohne Ionen................................................................................... 235
Hierarchische Energie................................................................................... 235
Auf Zufallswegen in die Zelle............................................................................ 237
Die Energiebilanz biochemischer Reaktionen............................................................. 240
Wärme als besondere Energieform......................................................................... 243
Wärme kann gespeichert werden........................................................................ 243
Wärme dehnt aus und setzt unter Druck................................................................. 245
Ideales Gas als einfaches Modell......................................................................... 246
Reale Gase verhalten sich ähnlich........................................................................ 247
Wärmetransport durch Strahlung und Berührung........................................................ 248
Kühlen und Wärmen mit Phasenübergängen............................................................. 250
Abbildungsnachweis................................................................................. 255
Index........................................................................................................ 259
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Inhaltsverzeichnis
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Teilbibliothek Weihenstephan, Lehrbuchsammlung
| Signatur: |
1003 PHY 004f 2013 L 1059
Lageplan |
|---|---|
| Exemplar 1 | Ausleihbar Ausgeliehen – Rückgabe bis: 08.04.2025 |
| Exemplar 2 | Ausleihbar Ausgeliehen – Rückgabe bis: 08.04.2025 |
| Exemplar 3 | Ausleihbar Am Standort |
| Exemplar 4 | Ausleihbar Am Standort |
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| Exemplar 17 | Ausleihbar Am Standort |
| Exemplar 18 | Ausleihbar Am Standort |
| Exemplar 19 | Ausleihbar Am Standort |
| Exemplar 20 | Ausleihbar Ausgeliehen – Rückgabe bis: 22.04.2025 |
| Exemplar 21 | Ausleihbar Am Standort |
Teilbibliothek Weihenstephan
| Signatur: |
1004 PHY 004f 2013 B 2485
Lageplan |
|---|---|
| Exemplar 1 | Nicht ausleihbar Am Standort |