In der 11. Jahrgangsstufe kann an bayerischen Gymnasien parallel zum herkömmlichen Physikkurs auch Biophysik unterrichtet werden. Dabei lernen die Schüler, wie mithilfe physikalischer Modelle die Funktionsweisen biologischer Systeme beschrieben und verstanden werden. Um bei Wahl der Lehrplanalternative Biophysik die notwendigen Voraussetzungen zur Fortsetzung sowohl des klassischen Physikkurses als auch des Kurses Astrophysik in der Jahrgangsstufe 12 zu schaffen, stellt dieses Lehrbuch zusätzlich das Grundwissen aus dem Standardkurs bereit.
Biophysik behandelt folgende Themen: Linsenauge und Sehleistung; Grundlagen der Akustik, Ohr und Gehör; Elektrische und magnetische Felder; Elektrische Erregung des Herzens; Mikroskopie; Bildgebende Verfahren in der Medizin; Therapien mit ionisierender Strahlung; Nervenzellen und Nervensystem; Biostatik; Kinematik und Dynamik; Strömungsmechanik und Vortrieb.
/ AUS DEM INHALT: / / /
Vorwort 10
Auge und Ohr 11
1 Auge 12
1.1 Einführung: Biologie und Physik 12
1.2 Überblick über verschiedene Augentypen 12
1.3 Lochkamera-Auge 13
1.4 Bildentstehung auf der Netzhaut 13
1.5 Abbildung durch Sammellinsen 14
1.5.1 Berechnungen zur optischen Abbildung 14
1.5.2 Reelle und virtuelle Bilder 15
1.5.3 Brechkraft einer Linse 16
1.6 Akkommodation 16
1.7 Fehlsichtigkeiten und ihre Korrektur 17
1.7.1 Kurzsichtigkeit 17
1.7.2 Weitsichtigkeit 18
1.7.3 Stabsichtigkeit (Astigmatismus) 19
1.8 Sehen unter Wasser 19
1.8.1 Brechungsgesetz von Snellius 19
1.8.2 Das Fischauge 20
1.8.3 Oberflächenfische und Tauchvögel 21
Aufgaben 22
2 Aufbau des menschlichen Auges 28
2.1 Aufbau der Netzhaut 28
2.2 RäumlichesSehen* 30
2.3 Tageslicht- und Nachtsehen 31
2.4 Farbsehen 34
2.5 Ultraviolett-Sehen* 36
2.6 Infrarot-Wahrnehmung* 37
Aufgaben 38
3 Grenzen unserer Sehleistung 40
3.1 Sehschärfe und Sehzellendichte 40
3.2 Interferenz von Licht am Doppelspalt 41
3.3 Die Entstehung des Interferenzmusters am Doppelspalt 42
3.4 Beugung und Interferenz am Einfachspalt 44
3.5 Auflösungsvermögen des menschlichen Auges 46
3.6 Insektenaugen* 47
3.7 Optisches Gitter 50
3.7.1 Prinzip* 50
3.7.2 Optische Spektroskopie 50
3.7.3 Gitter in der Natur* 51
Aufgaben 52
4 Grundlagen der Akustik 54
4.1 Was ist Schall? 54
4.2 Welleneigenschaften des Schalls 54
4.2.1 Reflexion 55
4.2.2 Beugung 55
4.2.3 Brechung 55
4.2.4 Interferenz 56
4.3 Mathematische Beschreibung von Schallwellen 56
4.3.1 Die physikalische Größe "Druck" 56
4.3.2 Physikalische Beschreibung reiner Töne 57
4.3.3 Die Physik des Klangs 58
4.3.4 Geräusche 60
4.4 Lautstärkemessung 60
4.4.1 Schallintensität 60
4.4.2 Schallpegel 61
4.5 Die Hörkurve des Menschen* 63
Aufgaben 64
5 Ohr und Gehör 66
5.1 Das Außenohr 66
5.1.1 Richtungshören 66
5.1.2 Verstärkung bestimmter Frequenzen 67
5.2 Das Mittelohr 68
5.2.1 Schall an Grenzflächen 68
5.2.2 Schallintensität und Impedanz 69
5.2.3 Die Notwendigkeit eines Impedanzwandlers 69
5.2.4 Das Mittelohr als Impedanzwandler 71
5.3 Das Innenohr 72
5.3.1 Resonanz 73
5.3.2 Wahrnehmung von Frequenzen 74
5.3.3 Wahrnehmung von Amplituden 75
Aufgaben 76
Untersuchungsmethoden der Biophysik 79
6 Elektrische Felder 80
6.1 Elektrische Sinnesorgane* 80
6.2 Beschreibung elektrischer Felder 81
6.3 Physikalische Größen 83
6.3.1 Ladung 83
6.3.2 Potential , 84
6.3.3 Feldstärke 84
6.3.4 Kapazität 86
6.3.5 Energie eines Kondensators 86
6.4 Muskelfunktion und Elektrizität* 87
6.4.1 Historisches 87
6.4.2 Aufbau von Muskeln 87
6.4.3 Muskelkontraktion 88
6.4.4 Herzmuskel und Pulsmessung 88
Aufgaben 89
7 Elektrische Erregung des Herzens* 91
7.1 Zelluläre Grundlagen 91
7.2 Erregungsleitung im Herzen 91
7.3 Elektrokardiogramm (EKG) 93
7.4 Anwendungen 97
Aufgaben 97
8 Magnetische Felder 99
8.1 Magnetische Sinnesorgane* 99
8.2 Beschreibung magnetischer Felder 99
8.3 Die magnetische Flussdichte 100
8.4 Kräfte im Magnetfeld 100
8.4.1 Die Lorentzkraft 100
8.4.2 Das Fadenstrahlrohr-Experiment 101
8.5 Massenspektrometer 102
8.5.1 Prinzipieller Aufbau 103
8.5.2 Medizinische Anwendung 104
8.6 Das Erdmagnetfeld* 104
8.7 Zugvögel* 105
Aufgaben 106
9 Mikroskopie 108
9.1 Vergrößerung eines optischen Instruments 108
9.1.1 Sehwinkel und Vergrößerung 108
9.1.2 Vergrößerung einer Lupe 109
9.2 Optisches Mikroskop 110
9.2.1 Aufbau eines Mikroskops 110
9.2.2 Vergrößerung eines Mikroskops 110
9.2.3 Das Auflösungsvermögen 111
9.3 Materiewellen 112
9.3.1 De-Broglie-Wellenlänge 113
9.3.2 Beschleunigung der Elektronen 113
9.3.3 Nachweis der Materiewellen 114
9.3.4 Elektronenbeugungsröhre* 114
9.3.5 Relativistische Energie 115
9.4 Elektronenmikroskop 116
9.4.1 Einsatzbereich 116
9.4.2 Prinzipieller Aufbau 117
9.4.3 Technische Ausführung 118
9.4.4 Magnetische Linsen 118
9.5 Weitere Mikroskope 120
9.5.1 Rasterelektronenmikroskop 120
9.5.2 Rasterkraftmikroskop 121
Aufgaben 122
10 Bildgebende Verfahren in der Medizin* 124
10.1 Elektromagnetische Wellen* 124
10.2 Röntgenstrahlung 125
10.2.1 Erzeugung von Röntgenstrahlung 125
10.2.2 Messung der Wellenlänge von Röntgenstrahlung 126
10.2.3 Spektrum der Röntgenstrahlung 126
10.3 Medizinische Anwendung 127
10.3.1 Röntgenröhre in der Medizin 127
10.3.2 Computertomographie 128
10.4 Magnetresonanz-Tomographie 129
10.4.1 Resonanz im Magnetfeld 129
10.4.2 Resonanzbedingung 130
10.4.3 Medizinische Anwendung 130
10.5 Positronen-Emissions-Tomographie 131
10.5.1 Grundprinzip 131
10.5.2 Anwendungen 131
10.5.3 Erzeugung der radioaktiven Strahlung 132
Aufgaben 133
11 Therapien mit ionisierender Strahlung* 135
11.1 Teilchenbeschleuniger in der Medizin 135
11.1.1 Grundprinzip 135
11.1.2 Linearbeschleuniger 135
11.1.3 Kreisbeschleuniger 137
11.2 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung 137
11.2.1 Ionisierende Wirkung 137
11.2.2 Messgrößen, Grenzwerte 138
11.2.3 Biologische Wirkung 140
11.3 Tumorbekämpfung durch Bestrahlung 143
11.3.1 Tiefendosisprofile 143
11.3.2 Herkömmliche Bestrahlungstechniken 144
11.3.3 Bestrahlung mit Protonen und Schwerionen 145
Aufgaben 147
Neuronale Signalleitung und Informationsverarbeitung 149
12 Nervenzellen 150
12.1 Grundsätzlicher Aufbau 150
12.2 Membranpotential 151
12.3 Genauere Betrachtung* 152
12.4 Aktionspotential 154
Aufgaben 155
13 Modell eines Neurons 156
13.1 Elektrischer Schaltkreis 156
13.2 Aufladen eines Kondensators 157
13.3 Entladen eines Kondensators 158
13.4 Mathematik am Kondensator* 158
13.5 Kompletter Ersatzschaltkreis 159
Aufgaben 161
14 Erregungsleitung im Axon 162
14.1 Nervenleitgeschwindigkeit 162
14.2 Elektrische Größen 164
14.2.1 Axialwiderstand 164
14.2.2 Membranwiderstand 165
14.2.3 Membrankapazität 166
14.3 Passive und aktive Erregungsleitung 166
14.4 Räumliche Ausbreitung 167
14.4.1 Grundsätzlicher Spannungsverlauf 167
14.4.2 Berechnung der Halbwertslänge 170
14.5 Zeitliche Ausbreitung 171
14.6 Biologische Schlussfolgerung 172
Aufgaben 173
15 Nervensystem 177
15.1 Synapsen 177
15.1.1 Elektrische Synapsen 177
15.1.2 Chemische Synapsen 177
15.1.3 Signalverrechnung 178
15.2 Modell eines neuronalen Netzes* 179
15.3 Signalverarbeitung in der Netzhaut* 180
15.4 Verschaltungsprinzipien im Gehirn* 181
15.5 Synchronisation von Zellen* 182
Aufgaben 183
Grundlagen der Biomechanik* 185
16 Biostatik* 186
16.1 Kräfte und Drehmomente 186
16.1.1 Kräftegleichgewicht 186
16.1.2 Drehmoment und Hebelgesetz 187
16.1.3 Das statische Gleichgewicht 189
16.1.4 Anwendung: Belastung der Wirbelsäule 189
16.2 Problemlösung in der Biostatik 192
16.2.1 Allgemeines Vorgehen 192
16.2.2 Anwendung: Schmerzen in der Achillessehne 192
16.3 Dehnung und Elastizität 193
16.3.1 Spannung 193
16.3.2 Dehnung 194
16.3.3 Der Zusammenhang von Spannung und Dehnung 194
16.3.4 Arten der Belastung 195
16.4 Knochen 197
16.4.1 Aufbau und Funktion 197
16.4.2 Knochenbrüche 198
16.5 Bänder und Sehnen 198
16.5.1 Aufbau und Funktion 198
16.5.2 Verletzungen der Bänder 198
Aufgaben 200
17 Bewegungen* 202
17.1 Beschreibung von Bewegungen: Kinematik 202
17.1.1 Videoanalyse 202
17.1.2 Koordinatensysteme 202
17.1.3 Translationen und Rotationen 203
17.1.4 Bewegung des Arms 204
17.1.5 Kinematische Grundgrößen 204
17.1.6 Zusammenhang der kinematischen Größen 206
17.2 Ursache von Bewegungen: Dynamik 206
17.3 Bewegungserfassung mit Sensoren 207
17.3.1 Videoanalyse beim Handballsprungwurf 207
17.3.2 Die Kraftmessplatte 208
17.3.3 Der Beschleunigungsmesser 209
17.3.4 Beschleunigungsmesser in der Bewegungsanalyse 209
17.4 Wie nimmt der Mensch Beschleunigungen wahr? 210
17.5 Modellierung von Bewegungsabläufen 210
17.5.1 Die Kniebeuge 210
17.5.2 Der Sprung aus dem Stand senkrecht nach oben 211
17.5.3 Der Sprung aus der Hocke senkrecht nach oben 212
Aufgaben 212
18 Strömungsmechanik* 215
18.1 Der Blutkreislauf beim Menschen 215
18.2 Kontinuitätsgleichung und Strömungsgeschwindigkeit 216
18.3 Der Zusammenhang zwischen Druck und Geschwindigkeit: das Gesetz von BERNOULLI 216
18.4 Stromlinienbilder und stationäre Strömungen 217
18.5 Anwendung der Bernoulli-Gleichung auf Stenose, Thrombose und Aneurysma 218
Aufgaben 220
19 Vortrieb im Wasser* 221
19.1 Vortrieb durch Rückstoß 221
19.2 Vortrieb durch Rudern 222
19.3 Vortrieb durch Flossenschlag 222
19.4 Vortrieb durch Wellenbewegung 224
Aufgaben 225
Anhang 227
Stichwortverzeichnis 227
Bildnachweis 232