| Präsentation |
Inhalt und Anmerkungen |
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| Frablich
gekennzeichnet: |
Files
mit explizitem Bezug zu Versuchen im "Physikalischen Praktikum für
Mediziner und Zahnmediziner" |
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| Welcome_u_Roadmap.pps |
Blockdiagramm zum Aufbau
der Vorlesung , Termine |
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| Blick_in_die_Kosmologie_10.pps |
Vom
Zeitpunkt der Entstehung des Weltalls vor 13 10^9 Jahren bis jetzt gilt,
gemäß dem Standardmodell: |
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Die Energie des
gesamten Systems ist konstant |
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Beim
Big Bang entsteht eine dichte Wolke identischer Teilchen mit Temperatur von
10^32K und einer einheitlichen Kraft, |
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nach 10^-43 s erscheint die Gravitationskraft, |
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nach 10 s (10^10
K) Beginn der Strahlungs-Ära: |
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Die Strahlung enthält mehr
Energie als die Materie, die durch Umwandlungen aus Strahlung entsteht |
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Rekombination von Materie
mit Antimaterie erzeugt wieder Strahlung |
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Nach
300 000 Jahren (3000 K) bis heute: Materie enthält mehr Energie als
Strahlung |
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Es
entstehen Atome, Galaxien, und, auf (mindestens) einem Planeten mit besonders
günstigen Bedingungen (Temperaturen um 273 K ± 50 K), organisches Leben mit
Pflanzen, Tieren und sogar
Menschen |
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Die
Strahlung der ersten 10^-43 s erscheint noch jetzt als kosmische
Hintergrundstrahlung, allerdings: |
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Die
Expansion des Weltalls verlängerte die Wellenlänge in den
Mikrowellen-Bereich |
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| Grundgroessen_Vollversion.pps |
Grundgrößen der Mechanik und
Wärmelehre |
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Zeit
[s] Sekunde |
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Länge
[m] Meter |
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Masse [kg] Kilogramm |
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Temperatur [K] Kelvin |
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Grundgröße der
Elektrizitätslehre |
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Elektrische Stromstärke [A]
Ampere |
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Grundgröße
der Lichtstärke (physiologisches Empfinden) |
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Lichtstärke [cd] Candela |
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| Geschwindigkeit_Schall.pps |
Die Geschwindigkeit ist ein
Quotient, |
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Zähler:
Weg, |
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Nenner:
Zeit |
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Die
Schallgeschwindigkeit in Luft bei 20° C beträgt 344 m/s |
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Die
Lichtgeschwindigkeit c = 3 · 10^8 m/s ist eine Naturkonstante, |
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Geschwindigkeit der Photonen |
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höchste
Geschwindigkeit für die Ausbreitung von Information und Energie |
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| Ue_1_20100416_p.pdf |
Übung zur logharitmischen
Darstellung |
| Loesungs_Mappe_Ue_1.xls |
Lösung dazu |
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| Oszilloskop.pps |
Das
Oszilloskop beruht auf einer Braunschen Röhre mit lang nachleuchtendem
Fluoreszenz-Schirm |
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Zwei
orthogonale Kondensator-Platten lenken den Elektronenstrahl ohne Verzögerung
(!) ab |
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Einsatz: |
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Darstellung periodischer
Signale |
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Registrierung sehr kurzer
Signale |
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| Versuch_Messung_der_Geschwindigkeit_10.pps |
Geschwindigkeit: Quotient |
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Zähler: Änderung desWegs |
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Nenner: Änderung der Zeit |
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Mittlere Geschwindigkeit: |
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Mittelwert
der in den einzelnen Intervallen gemessenen Geschwindigkeiten |
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Standardabweichung: |
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Maß
für die Abweichung der einzelnen Messwerte vom Mittelwert |
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| Mittelwert_u_Standardabweichung_10.pps |
Die Messung
eines Wertes x werde mehrfach wiederholt |
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Der Mittelwert µ ist ein
Quotient, |
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Zähler Summe über alle
Messwerte x, |
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Nenner Anzahl der Messwerte |
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Die
Standardabweichung ist ein
Quotient, |
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Zähler:
Wurzel aus der Summe über alle Quadrate der Differenzen zwischen den
Messwerten x und dem Mittelwert µ, |
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Nenner: Wurzel aus
der Anzahl der Messwerte, -1 |
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Legt
man ein Intervall der Breite ± N· um den Mittelwert µ, dann erwartet
man bei mehrfacher Wiederholung der Messung für |
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N=1 68 % |
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N=2 95 % |
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N=3 99,7 % |
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der
Messwerte innerhalb, den Rest außerhalb des Intervalls |
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| Ue_2_20100423_p.pdf |
Übung zur
Standardabweichung und zum Oszilloskop |
| Loesungs_Mappe_Ue_2.xls |
Lösungen dazu |
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| Geradlinige_Bewegung_Beschleunigung_PM.pps |
Geschwindigkeit: Quotient |
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Zähler: Änderung des Wegs |
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Nenner: Änderung der Zeit |
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Beschleunigung: Quotient |
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Zähler: Änderung der
Geschwindigkeit |
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Nenner: Änderung der Zeit |
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Speziell,
wenn der Weg als Funktion der Zeit bekannt ist: |
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Geschwindigkeit:
Ableitung des Wegs nach der Zeit |
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Beschleunigung:
Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit |
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Das ist die
zweite Ableitung des Wegs nach der Zeit |
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Weg,
Geschwindigkeit und Beschleunigung sind über ihre zeitlichen Ableitungen
bzw. Integrale - miteinander verknüpft |
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| Masse_Kraft_Traegheit.pps |
Masse:
elementare Eigenschaft eines jeden Körpers |
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Kraft: vermittelt die
Wirklichkeit |
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Definition
der Kraft mit den drei Newtonschen Axiomen |
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1.Ein
sich kräftefrei bewegender Körper behält seine Geschwindigkeit nach Betrag
und Richtung bei |
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2.Die
Kraft ist proportional zur Beschleunigung, Proportionalitätskonstante ist die
träge Masse |
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3.Actio
gleich Reactio, jede Kraft erzeugt eine gleichgroße, aber entgegensetzt
gerichtete Kraft |
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Ort
der Masse ist der Schwerpunkt unabhängig von der Form des Körpers |
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| Jean_le_Rond_Hafenszene.pps |
Trägheitskräfte
erscheinen "aus dem Nichts" |
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| Masse_Gravitationsgesetz.pps |
Massen
ziehen sich an: Die Kraft errechnet sich aus dem Gravitationsgesetz |
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Die
Gravitationskraft zwischen zwei Massen ist ein Quotient: |
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F = G · m1 · m2 / r^2 [N] |
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Zähler:
Produkt aus beiden Massen und der Gravitationskonstanten |
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G = 6,67 · 10^(-11)
[Nm^2/kg^2] |
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Nenner:
Quadrat aus dem Abstand der Schwerpunkte beider Massen |
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Die
im Gravitationsgesetz erscheinenden Massen zeigen eine neben der trägen
Masse weitere Eigenschaft, die schwere Masse |
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Aus
der Masse der Erde errechnet sich die Fallbeschleunigung g = 9,81
[m/s^2] |
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| Ue_3_20100430_p.pdf |
Übungen zum
Weg-Zeitgestz, Geschwindigkeit und Beschleunigung |
| Loesungs_Mappe_Ue_3.xls |
Lösungen dazu |
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| Masse_u_Energie_10_PM.pps |
Masse kann in Energie
umgewandelt werden: |
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W = m·c2
[J], |
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m [kg] Masse |
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c = 3
·108 [m/s] Geschwindigkeit des Lichts
im Vakuum |
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Energie aus Masse
entsteht bei Kernreaktionen |
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Auch
die Umkehrung gilt: Energie von Strahlung kann in Teilchenpaare umgewandelt
werden: |
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W = h·f = m·c2 [J], |
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f [1/s] Frequenz der elektromagnetischen
Strahlung |
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h
= 6.626068 × 10^-34 [Js] Plancksches Wirkungsquantum (Max Planck, *
23.4.1858) |
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Bei der
Paarbildung entsteht Masse aus Strahlung |
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| Kreisbahn_und_Schwingung_09.pps |
Fahrstrahl:
Vektor vom Mittelpunkt zu einem Punkt auf dem Kreisumfang |
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Die
Komponenten des Fahrstrahls sind Funktionen von Radius r und Winkel ,
z. B.: |
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x = r · cos |
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y = r · sin |
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Bei
konstanter Winkelgeschwindigkeit verhalten sich die Komponenten des
Fahrstrahls wie die Amplituden von Schwingungen in Form von Sinus- bzw.
Kosinus Funktionen der Zeit |
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| Schwingung_Begriffe_10.pps |
Eine
Schwingung beschreibt eine zeitlich periodische Auslenkung gemäß der
Funktion |
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y(t) = y0 · sin ·t |
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y0 Amplitude, maximale Auslenkung der
Schwingung, die Einheit ist die der schwingenden Größe |
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T
[s] Periode der Schwingung |
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f
= 1 / T [1/s] Frequenz |
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= 2· / T [1/s]
Winkelgeschwindigkeit (Kreisfrequenz) |
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Periode,
Frequenz und Winkelgeschwindigkeit (Kreisfrequenz) sind als Funktionen der
Periode gewissermaßen Synonyme, ihr Gebrauch richtet sich nach der
Anwendung |
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Phase:
Differenz zweier Auslenkungsmuster bezüglich der Winkel- bzw. der Zeitachse |
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| Schwingung_Welle_long_transv_10.pps |
Wellen sind
periodische Auslenkungen einer physikalischen Größe: |
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u ( s,t ) = u0 · sin( k·s -
·t ) |
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Funktionen des Orts s
und der Zeit t mit der |
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Wellenlänge
[m] undc Wellenzahl k = 2/ [1/m] |
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Frequenz f = 1 / T [1/s], Kreisfrequenz =
2 · f: |
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Longitudinalwellen:
Auslenkung in Richtung des Wellenvektors |
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Transversalwellen:
Auslenkung senkrecht zur Richtung des Wellenvektors |
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Beispiele für
Wellen mit Einheit der Amplitude u0
: |
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Mechanische Wellen: |
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Auslenkung
[m] der Saite eines Instruments (transversal) |
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Auslenkung
der Teilchen [m] und des Drucks [Pa] einer Schallwelle |
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Elektromagnetische Wellen: |
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Elektrische Feldstärke [V/m] |
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Magnetische Feldstärke [Vs/m2 =
T] |
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Frequenz,
Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit sind verknüpft: cW = ·
f [m/s] |
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| Ue_4_20100506_p.pdf |
Übung zu
Schwingung, Periode, Phase und Kraft |
| Loesungs_Mappe_Ue_4.xls |
Lösungen dazu |
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Donnerstag
Vorlesungs-frei, Christi Himmelfahrt |
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Freitag:
Ausführliche Besprechung der Übungen 3-4 |
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| Ue_5_20100514_p.pdf |
Übung zum
elektromagnetischen Spektrum |
| Loesungs_Mappe_Ue_5.xls |
Lösungen dazu |
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| Ladung_Coulombgesetz.pps |
Kräfte zwischen Ladungen |
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Gleichnamig: abstoßend |
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Ungleichnamig: anziehend |
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Kraftgesetz: Coulombgesetz, |
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F
= Q1·Q2 / (40·r 2) [N]
Kraft zwischen zwei Ladungen |
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Q1,Q2 [C] im Abstand r [m] , |
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0 = 8,85·10^(-12) [C^2 N^(-1)m^(-2)] elektrische Feldkonstante |
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Es gibt eine
kleinste Ladung: Die Elementarladung |
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Jede Ladung ist mit Masse
verbunden |
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Nicht jede Masse trägt eine
Ladung |
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| Feld_E_Ladung_PM.pps |
An
einem Ort mit elektrischer Feldstärke wirkt auf eine Ladung eine Kraft |
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Die Feldstärke ist ein Quotient |
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Zähler:
Coulomb-Kraft F [N] auf einen Probekörper der Ladung q |
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Nenner:
Eigenschaft des Probekörpers, an der die Kraft angreift, die Ladung q
[C] |
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E =
F/q [N/C] |
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Die
elektrische Feldstärke ist eine vektorielle Größe mit der Richtung des
Kraft-Vektors |
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Ursachen elektrischer
Feldstärke: |
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Materiell:
Statisch im Raum angeordnete Ladungen |
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Ohne
Materie: Sich zeitlich ändernde magnetische Felder |
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| Feld_E_Ladung_beim_Proteinaufbau_10.pps |
Abtasten
der Information im Codon der mRNA und Vergleich mit der des Anticodons der
tRNA: |
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Auf
der mRNA geben die Codons die elektrische Feldstärke vor |
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Am
Ort des Ribosoms wird die Ladungsverteilung des Anticodons einer tRNA auf
Bindung oder Abstoßung mit dem vorgegebenen Feld überprüft |
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Bei
Passung wird die tRNA so lange fixiert, bis sich eine Peptid-Bindung zur
Aminosäure der benachbarten, schon fixierten tRNA gebildet hat |
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| Feld_Potential_Spannung_PM_10_kurz.pps |
In
konservativen Feldern ist die Arbeit zur Verschiebung eines Körpers zwischen
zwei Punkten unabhängig vom Weg |
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Bei
Verschiebung auf geschlossenen Wegen ist daher die Arbeit Null |
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Der
Potentialunterschied zwischen zwei Punkten ist die elektrische Spannung: U =
2 1 [V] |
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Die
elektrische Spannung zwischen zwei Punkten ist ein Quotient, U = W / q [V] |
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Zähler:
Arbeit W, um einen positiv geladenen Probekörper von einem Punkt zum anderen
zu verschieben, |
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Nenner: Ladung q des
Probekörpers |
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Ohmsches Gesetz: U = R · I [V] |
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Widerstand R [], I Strom [A] |
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Leitwert G = 1/R [S] |
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| Feld_B_Strom_Magnetfeld_Lorentz_kurz.pps |
Elektrische
Stromstärke: Quotient, transportierte Ladung Q durch Zeit t : I = Q / t [A] |
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Jeder
Strom ist von kreisförmigen Magnetfeldlinien umgeben |
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An
einem Ort mit magnetischer Feldstärke B wirkt auf eine mit Geschwindigkeit v
bewegte Ladung Q eine Kraft F = v · Q · B
[N] |
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Richtung
der Kraft (Lorentzkraft) für eine positive Ladung: Senkrecht sowohl zu B
als auch zu v (Rechte Hand Regel) |
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Magnetische
Feldstärke: Quotient B = F / (v · Q)
[T] |
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Zähler: Lorentzkraft
auf die bewegte Ladung |
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Nenner: Ladung mal
Geschwindigkeit |
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| Ue_6_20100521_p.pdf |
Übung zu
elektrischem Strom, Spannung, Energie, Leistung und Leitwert |
| Loesungs_Mappe_Ue_6.xls |
Lösungen dazu |
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| Bauteil_Induktion_Strom_u_Supraleiter_10.pps |
Nähert
man einer Leiterschleife, die eine Fläche A umrandet, ein Magnetfeld, dann
wird in der Schleife |
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eine
Spannung U induziert, solange sich das die Fläche A durchdringende Magnetfeld
B ändert (Induktionsgesetz) |
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Dadurch
erscheint ein Strom, umgeben von einem Magnetfeld |
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Die
Lenzschen Regel besagt: Induzierte Größen sind ihrer Ursache
entgegengerichtet |
|
folglich
kompensiert der durch Induktion entstehende Strom das äußere Magnetfeld, es
ist ihm entgegengerichtet |
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Der
Strom (und sein Magnetfeld) klingt nach einiger Zeit aufgrund der ohmschen
Widerstandes der Schleife ab |
|
Nähert man einem
Supraleiter ein Magnetfeld, dann |
|
fließt
der im Supraleiter induzierte Strom ohne Verluste mit konstanter Stärke, so
dass der Magnet aufgrund im Material lokalisierter Feldlinien - dauerhaft
über dem Supraleiter in Schwebe bleibt |
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| Bauteil_Einschalt_Vorgang_Zeitk_10.pps |
Sind
Widerstand und Kondensator hintereinander geschaltet, dann erscheint bei
Anlegen einer Gleichspannung U0 |
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Eine Spannungsspitze
U0 über dem Widerstand |
|
Von Null
ansteigende Spannung über dem Kondensator |
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Die
Zeitkonstante =RC [s] ist die charakteristische Zeit für |
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das
Abklingen der Spannungsspitze über dem Widerstand auf etwa die Hälfte der
angelegten Spannung |
|
genauer: Teil 1/e = 0,37 |
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den
Anstieg der Spannung über dem Kondensator auf etwa die Hälfte der angelegten
Spannung |
|
genauer: Teil 1-1/e = 0,63 |
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Die
Spannung über dem Widerstand entspricht der Ableitung der Spannung am
Kondensator: Die RC Schaltung differenziert das anliegende Signal |
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Die
elektrischen Eigenschaften von Zellmembranen entsprechen denen von RC
Bauteilen (Ersatzschaltbild einer Zellmembran) |
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| Bauteil_Kirchhoffsche_Regeln_kurz.pps |
Maschenregel:
Die Summe über alle Spannungen auf einem beliebigen geschlossenen Weg (einer
Masche) innerhalb einer Schaltung ist Null |
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Knotenregel:
bei Verzweigungen bleibt die Summe der Ströme konstant |
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Mithilfe
von Knoten- und Maschenregel sammelt man Gleichungen mit den elektrischen
Eigenschaften der Bauteile, den Spannungen und Strömen. |
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Die
Lösung dieses Gleichungssystems zeigt die gesuchten Größen |
|
Wichtige
Anwendung in der Elektrizitäts- und Strömungslehre: |
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Zwei
parallel geschaltete Widerstände R1
und R2 verhalten sich wie ein
Widerstand R0 mit 1 / R0 = 1 / R1 +1 /
R2 |
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Zwei
hintereinander geschaltete Widerstände R1
und R2 verhalten sich wie ein
Widerstand R0 mit R0 = R1 + R2 |
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| Ue_7_20100604_p.pdf |
Übung zu
elektrischen Eigenschaften: RC.Bauteil, Spannung über Widerstand, Kondensator
mit Dielektrikum |
| Loesungs_Mappe_Ue_7.xls |
Lösungen dazu |
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| Atom_Strahlungsemission_10+_kurz.pps |
Bohrs
Modell: Elektronen kreisen als geladene, mechanische Objekte auf diskreten
Bahnen um den Kern. Für ein Elektron auf Bahn n = 1,2, gilt: |
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Der Drehimpuls ist
quantisiert: J = n · h |
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Bei
Kernladungszahl Z ist die Energie des Elektrons : En = E1 · Z2 / n2 , E1 =
-13,6 [eV] |
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Beim
Wechsel der Bahn wird entweder mechanische Energie zugeführt oder
elektromagnetische Strahlung absorbiert oder emittiert |
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Die
Wellenlänge mn der Strahlung bei
Übergang von einer Bahn mit Quantenzahlen m zu n in einem Wasserstoff
ähnlichen Atom mit Kernladung Z ist |
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_mn = 1 / (RH·Z^2·(1/n^2-1/m^2)) [m]
, RH = 1,1·107 [1/m] |
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| Atom_Frank_Hertz_Versuch_10_plus.pps |
Der
Frank-Hertz Versuch zeigt die Anregung der Atome in diskreten
Energie-Schritten |
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Quecksilber-Dampf
(entsteht bei 170°C) ist erforderlich, um auf der äußersten Schale einen
Übergang mit definierter Energie zu beobachten |
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Bei
dichter Packung verbreitern sich die Energie-Niveaus bis zum Kontinuum im
Metall |
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| Ue_8_20100611_p.pdf |
Übung zur
Röntgenstrahlen, Absorption und Kapazität |
| Loesungs_Mappe_Ue_8.xls |
Lösungen dazu |
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| Roe_Strahlung_Erzeugung_10.pps |
Aufbau
einer Röntgenröhre: Zwischen einer Glühkathode und der Anode liegt
Hochspannung (40-100 kV) |
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Zwei
voneinander unabhängige Prozesse verursachen Röntgenstrahlung: |
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Auf
der Anode abgebremste Elektronen senden Bremsstrahlung aus |
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Bei
Beschleunigung mit Spannung U in [kV] folgt die Wellenlänge in
[Å] |
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= 12,4 / U [Å]
(1 Å = 0,1 nm) |
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Die
angeregten Atome der Anode emittieren zusätzlich charakteristische
Strahlung |
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| Ww_Roe_Mat_Abs_10.pps |
Das
Absorptionsgesetz: Die Intensität I0
wird nach einem Weg der Länge d [1/cm] durch Materie mit
Absorptionskoeffizienten [1/cm] zur Intensität I abgeschwächt - unabhängig vom Aggregatzustand |
|
I = I0·exp(-d) |
|
Der
Absorptionskoeffizient steigt mit der |
|
Elektronenzahl und Dichte
des Absorbers |
|
Bei
Energie der Strahlung zwischen 1 und 120 keV mit der Wellenlänge der
einfallenden Strahlung |
|
Blei absorbiert sehr gut: |
|
3 mm Pb absorbiert Strahlung bis zu 120 keV praktisch vollständig |
|
Aluminium |
|
2,5 mm dickes Aluminium |
|
absorbiert
weiche Strahlung unter 20keV praktisch vollständig |
|
ist für
Strahlung höherer Energie praktisch transparent |
|
ist
deshalb Standard-Filter an Röntgenröhren zur Durchleuchtung |
|
Ist
für Abschirmungen - wegen der Transparenz für Strahlung mit Energie über
20keV - ungeeignet |
|
|
| Roe_in_der_Medizin.pps |
Medizinisches
Röntgen unterscheidet zwei
Betriebsarten: |
|
Durchleuchtung des ganzen
Körpers: |
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Wolfram Anode mit 2,5 mm
Al-Filter |
|
Betriebsspannung 60-120 kV |
|
Weiche
Anteile werden vom 2,5 mm Al Filter absorbiert |
|
Mammographie: |
|
Rhodium oder Mo
Anode mit Kantenfilter bei 18 kV |
|
Betriebsspannung 30 kV |
|
Schmales
Band mit weicher Strahlung ist erwünscht, um durch den Photoeffekt ( ~Z4/W3)
kleine Unterschiede im Aufbau des Gewebes zu zeigen |
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|
| Roe_Tech_Med.pps |
Es
gibt für die unterschiedlichen Betriebsarten unterschiedliche
Anodenmaterialien: |
|
Wolfram
mit 2,5 mm Al-Filter zur Durchleuchtung des ganzen Körpers: |
|
Spannung 65-120 kV,
10 mA, Bel. Zeit ca. 8ms |
|
Breites
Wellenlängenband, Hoher Anteil an Bremsstrahlung, |
|
enthält
zusätzlich die harte charakteristische Strahlung von W (0,02 nm) |
|
Rhodium
oder Molybdän Anode ohne Aluminium, aber mit Kantenfilter bei 18 kV zur
Mammographie |
|
Betriebsspannung 30 kV |
|
Schmales
Band weicher Strahlung mit hohem Anteil der charakteristischen Strahlung von
Rh (0,06 nm) oder Mo (0,069 nm) |
|
|
| Ww_Roe_Mat_Abs_10.pps |
Das
Absorptionsgesetz: Die Intensität I0
wird nach einem Weg der Länge d [1/cm] durch Materie mit
Absorptionskoeffizienten [1/cm] zur Intensität I abgeschwächt - unabhängig vom Aggregatzustand |
|
I = I0·exp(-d) |
|
Der
Absorptionskoeffizient steigt mit der |
|
Elektronenzahl und Dichte
des Absorbers |
|
Bei
Energie der Strahlung zwischen 1 und 120 keV mit der Wellenlänge der
einfallenden Strahlung |
|
Blei absorbiert sehr gut: |
|
3 mm Pb absorbiert Strahlung bis zu 120 keV praktisch vollständig |
|
Aluminium |
|
2,5 mm dickes Aluminium |
|
absorbiert
weiche Strahlung unter 20keV praktisch vollständig |
|
ist für
Strahlung höherer Energie praktisch transparent |
|
ist
deshalb Standard-Filter an Röntgenröhren zur Durchleuchtung |
|
Ist
für Abschirmungen - wegen der Transparenz für Strahlung mit Energie über
20keV - ungeeignet |
|
|
| http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/XCOM.html |
Automatische
Berechnung der Massenabsorptionskoeffizienten
(="Streuquerschnitte") für beliebige Materialien |
|
|
| WW_Roe_Dosimetrie_10_Messgroessen.pps |
Wichtigste
Messgrößen für ionisierende Strahlung: |
|
Becquerel
[Bq]: Quotient, Zähler Anzahl der Zerfälle, Nenner Zeit |
|
Gray
[Gy]: Quotient, Zähler: dem Absorber bei Absorption ionisierender Strahlung
zugeführte Energie [J], Nenner: Masse des Absorbers [kg] |
|
Ionendosis
[C/kg]: Quotient, Zähler: Im Absorber erzeugte Ladung [C], Nenner: Masse der
Ladung [kg] |
|
Sievert
[Sv]: Produkt aus Gray und Bewertungsfaktor für biologische Materie, 1 für
Röntgen- , - und -Strahlung, 20 für Strahlen |
|
|
| WW_Roe_Dosimetrie_09_Grenzwerte.pps |
Strahlenbelastung
von ca. 1 mSv/Jahr ist Teil unserer natürlichen Umwelt |
|
Zusätzliche Belastung ist
zu vermeiden |
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Jedes
energiereiche Strahlungsquant kann biologisch wirksam sein und Mutationen
auslösen |
|
Grenzwert
für Beruflich strahlenexponierte Personen 20 mSv/Jahr |
|
Grenze der Berufslebensdosis
400 mSv |
|
Überwachung
der Dosisleistung am Arbeitsplatz ist die wichtigste Maßnahme |
|
Optimal:
Instrumente mit akustischem Signal bei Auftreffen eines
Strahlungs-Quants |
|
|
| WW_Roe_Dosimetrie_10_Ionen_zu_Energie.pps |
Die
Energiedosis ist meistens klein (z. B. Gy), deshalb schwer zu
messen |
|
Aber: |
|
Auch
kleine Ladungsänderungen führen in Kondensatoren kleiner Kapazität zu großen,
leicht messbaren Spannungsänderungen |
|
Deshalb
misst man die Ionendosis J [C/kg], vorzugsweise in Luft, und berechnet daraus
- durch Multiplikation mit f = 35 Gy/(C/kg) - die Energiedosis D = f · J [Gy] |
|
gebräuchliches
Verfahren zur Bestimmung der Energiedosis |
|
|
| http://bundesrecht.juris.de/strlschv_2001/index.html |
Link zur
Strahlenschutzverordnung |
|
|
| http://www.bmu.de/strahlenschutz/rechtsvorschriften_technische_regeln/doc/6887.php |
Zusammenfassung und
Anmerkung zur Strahlenschutzverordnung |
|
|
| http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/EPCARD-Portal/PDF/Strahlung_Fliegen.pdf |
Information zur
Strahlenbelastung auf Flügen |
|
|
| mensch_und_umwelt.pdf |
Wissenschaftlich fundierte
Darstellung der Wirkung ionisierender Strahlung auf den Menschen in der
Medizin, der Technik und praktisch allen Bereichen des täglichen Lebens. Sehr
empfehlenswert. |
|
|
|
|
| Ue_9_20100618_p.pdf |
Übung zur
Absorption von Röntgenstrahlen |
| Loesungs_Mappe_Ue_9.xls |
Lösung dazu |
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| Optik_Interferenz_u_Abbildung_Special.pps |
Bei
kohärenter Anregung eines Objekts bilden die divergenten, auslaufenden Wellen
ein Interferenzmuster |
|
Das
Interferenzmuster trägt die Information in den unendlichen Raum |
|
-robuster
Teil der Abbildung, nur durch Absorption vermeidbar- |
|
Zur
Abbildung führt die Überlagerung der vom Objekt auslaufenden Wellen |
|
1.Mehrere Wellen sind zu
erfassen (Apertur) |
|
2.Divergente
werden zu konvergenten Wellen umgelenkt (Linse) |
|
3.Die
Abbildungsebene muss am richtigen Ort stehen (Fokussierung) |
|
- empfindlicher Teil der
Abbildung - |
|
|
| Optik_Snellius.pps |
Die
Dielektrizitätszahl eines Mediums bestimmt den Brechungsindex (Maxwellsche
Beziehung) |
|
n = Wurzel () |
|
Der
Brechungsindex zeigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit cMedium einer Welle im Medium |
|
cMedium = c /
n , c Lichtgeschwindigkeit im
Vakuum |
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Das
Snelliussche Brechungsgesetz zeigt die Richtungsänderung einer Welle, die aus
Medium 1 in ein Medium 2 mit Winkel gegenüber der Normalen der
Oberfläche dieses Mediums, dem Einfallslot, eintritt und unter dem Winkel
zum Lot in das Medium 2 gebrochen wird |
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sin() /
sin() = nMed2 / nMed1 |
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nMed2 , nMed1 Brechungsindizes beider Medien |
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Die Brechung ist
die Grundlage aller Abbildungen |
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in der Natur mit Hilfe der
Augen |
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in der Physik und Technik mit
Linsen |
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Der
Brechungsindex ist - für das gleiche Material - eine (nichtlineare) Funktion
der Frequenz der Strahlung |
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| Optik_Instrumente_Abb_09.pps |
Brillen verbessern die
Abbildung |
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Korrigieren
die Brechkraft, damit das Bild auf die Netzhaut zu liegen kommt |
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Die Abbildungsgleichung:
1/f - 1/g =1/b |
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f Brenn-, g
Gegenstands- , b Bildweite [m] |
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Fernrohr,
Lupe und Mikroskop verbessern die Auflösung |
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Optische
Instrumente sind Trichter für Lichtwellen: Ihr wichtigstes Merkmal ist die
Öffnung, die Linsen lenken die Wellen um |
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| Ue_10_20100625_p.pdf |
Fragen zu
Halbwertszeiten, Kristallbau, Lupe |
| Loesungs_Mappe_Ue_10.xls |
Lösungen dazu |
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| Optik_Instrumente_Lupe_Fern_Mikro_10.pps |
Fernrohr,
Lupe und Mikroskop verbessern die Auflösung, indem sie |
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1.die
Winkel zwischen benachbarten Wellenfeldern vergrößern, so dass von dicht
benachbarten Punkten ausgehende Wellen auf möglichst weit voneinander
entfernte Punkte der Netzhaut fokussieren |
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2.in
Lupe, Mikroskop und Fernrohr Wellen aus einem größeren Winkelbereich in das
Auge führen |
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Vergleichbar
einem Trichter für Lichtwellen: Ihr wichtigstes Merkmal ist die Öffnung,
die Linsen lenken die Wellen um |
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Grenze
der Auflösung: In jedem Fall beobachtet man das Beugungsbild des Objekts und
der kreisförmigen Aperturblende. Speziell gilt |
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Im
astronomischen Fernrohr: Je größer die Blende, desto kleiner ist die
Abweichung der Richtung der an der Aperturblende gebeugten Wellen von der
Richtung der einfallenden Welle, deshalb gibt es Fernrohre mit
Blendendurchmesser bis zu 2 m |
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Im
Mikroskop: Zu kleine Objekte senden ein Interferenzbild mit großen
Beugungswinkeln, das Objektiv erfasst deshalb zu wenige Wellen: unscharfes
Bild |
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| Schwingung_Schall_10_med.pps |
Schallwellen sind Druckwellen |
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Voraussetzung:
Wechselwirkung zwischen den Teilchen, realisiert in realen Gase |
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Aus der
Bewegungsgleichung der Druckwelle folgt: |
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Amplitude der
Auslenkung der Teilchen 0
[m] |
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Die
Amplitude des Drucks ist proportional zur Frequenz, zur Schallschnelle, der
Dichte und der Schallgeschwindigkeit
p0 = u0··cS [Pa] |
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Die
Schall Schnelle zeigt die Geschwindigkeit der Auslenkung der Teilchen u0 =
· 0 [m/s] |
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| Schwingung_Schall_Messung_10_med.pps |
Das Weber-Fechnersche Gesetz |
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Die
Lautstärke, eine Empfindung, folgt etwa logarithmisch der Schallintensität
I bzw. dem Schalldruck p |
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Physikalische Größen zur
Schallmessung |
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Referenzwert:
Hörschwelle I0 = 10-12 [W/m2], p0 = 20 ·10-6
[Pa] |
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Schallpegel, Einheit Dezibel |
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Schallintensitätspegel = 10 log ( I / I0 ) [dB] |
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Schalldruckpegel = 20 log ( p / p0 ) [dB] |
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Lautstärke,
Einheit Phon, definiert als Pegel für einen Ton mit 1 kHz |
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Schallintensitätspegel
= 10 log ( I1kHz / I0 )
[phon] |
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Schalldruckpegel = 20 log ( p1kHz / p0 )
[phon] |
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Schallpegel
mit Korrektur nach Kurve A, bezeichnet mit dB (A), zeigt für Töne beliebiger Frequenz den
Pegel eines als gleichlaut empfundenen Tons mit 1 kHz |
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dB (A)
Werte entsprechen annähernd der Lautstärke in Phon |
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| Ue_11_20100702_p.pdf |
Übung zu
Schallmessgrößen |
| Loesungs_Mappe_Ue_11.xls |
Lösungen dazu |
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| Schwingungen_Doppler_Effekt_bewegte_Quelle.pps |
Sendet
eine Quelle mit Frequenz f und Wellenlänge in einem Medium mit
Schallgeschwindigkeit cS , dann gilt: |
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Bewegt
sich die Quelle mit Geschwindigkeit v auf den ruhenden Empfänger zu,
dann |
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Verkürzt
sich die Wellenlänge: ' = · (1- v/cS ) [m] |
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Erhöht
sich die Frequenz: f ' = f
/ (1- v/cS ) [1/s] |
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Entfernt
sich die Quelle vom ruhenden Empfänger, dann |
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Erhöht
sich die Wellenlänge: ' = · (1+ v/cS ) [m] |
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Erniedrigt
sich die Frequenz: f ' = f
/ (1+ v/cS ) [1/s] |
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Die
Schallgeschwindigkeit cS ist unabhängig von der Bewegung der
Quelle |
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Ändert
sich aber -bezüglich des Empfängers- bei Bewegung des Empfängers |
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| Schwingungen_Doppler_Effekt_bewegter_Empfaenger.pps |
Sendet
eine Quelle mit Frequenz f und Wellenlänge in einem Medium mit
Schallgeschwindigkeit cS , dann gilt: |
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Bewegt
sich der Empfänger mit Geschwindigkeit v auf die ruhende Quelle zu, dann
nähert sich die Welle dem Empfänger mit |
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Geschwindigkeit: c' =
cs + v [m/s] |
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Dadurch
erhöht sich die Frequenz: f ' = f · ( 1 + v/cS ) [1/s] |
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Entfernt
sich der Empfänger mit Geschwindigkeit v von der ruhenden Quelle, dann nähert
sich die Welle dem Empfänger mit |
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Geschwindigkeit: c' =
cs - v [m/s] |
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Dadurch
erniedrigt sich die Frequenz: f ' = f · ( 1 - v/cS ) [1/s] |
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| Schwingungen_Doppler_Effekt_bewegter_Reflektor.pps |
Eine
ruhende Quelle sende mit Frequenz f in einem Medium mit Schallgeschwindigkeit
cS , am Ort des Senders stehe ein
ruhender Empfänger |
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Bewegt
sich ein Reflektor mit Geschwindigkeit v (v << cS ) auf Quelle und
Empfänger zu, dann |
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erhöht
sich die Frequenz um f = f ·2 v
/ cs [1/s] |
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Entfernt
sich der Empfänger mit Geschwindigkeit v, dann |
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erniedrigt
sich die Frequenz um f = f ·2 v
/ cs [1/s] |
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Ist v in der Größenordnung von
cS, |
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dann gilt f
= f ·2 v / (cs - v) [1/s] |
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Für
elektromagnetische Wellen, die sich mit Lichtgeschwindikeit c ausbreiten,
wird der Dopplereffekt mit Hilfe der Lorentz-Transformation erarbeitet |
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| Optik_Snellius.pps |
Die
relative Permittivität eines Mediums bestimmt den Brechungsindex (Maxwellsche
Beziehung) |
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n
= Wurzel () |
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Der
Brechungsindex zeigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit cMedium einer Welle im Medium, für
elektromagnetische Wellen gilt |
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cMedium = c /n
, c Lichtgeschwindigkeit im
Vakuum |
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Das
Snelliussche Brechungsgesetz zeigt die Richtungsänderung einer
elektromagnetischen oder Schall Welle, die aus |
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Medium 1
(Ausbreitungsgeschwindigkeit cMed1) |
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in ein |
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Medium 2
(Ausbreitungsgeschwindigkeit
cMed2) |
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mit
Winkel gegenüber der Normalen der Oberfläche dieses Mediums, dem
Einfallslot, eintritt und unter dem Winkel gegenüber dem Lot das
Medium 2 gebrochen wird |
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sin()
/ sin() = nMed2 / nMed1 = cMed1 / cMed2 |
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nMed2 , nMed1 Brechungsindizes beider Medien |
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Totalreflektion:
Beim Übergang von einem Medium mit kleinerer in ein Medium mit größerer
Ausbreitungsgeschwindigkeit (kleinerem Brechungsindex) wird die Welle für
Einfallswinkel, die größer als der Totalreflektionswinkel sind, an der
Grenzfläche totalreflektiert, d.h., es entsteht kein Strahl im angrenzenden
Medium |
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Für
Schallwellen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Flüssigkeit höher als in
Luft, deshalb gibt es beim Übergang von Luft zu Materie (z. B. in den Körper)
Totalreflktion, die man durch Schall leitende Gele vermeiden kann |
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