Physik für Life Sciences
Physics for Life Sciences

Das Modul Physik für Life Sciences vermittelt die Grundlagen der Experimentalphysik und gehört somit zur naturwissenschaftlichen Grundausbildung in den Biowissenschaften. Die Vorlesung Physik für Life Sciences ist einsemestrig und beinhaltet folgende Themengebiete:

1. Einleitung, Einheiten, Messgenauigkeit und Messfehler

2. Bewegungslehre, Koordinatensysteme und Ballistik, Newton-Bewegungsgesetze, Reibungs- und Scheinkräfte

3. Arbeit, Energie und Leistung, potentielle und kinetische Energie, Energieumwandlung und Energieerhaltung

4. Elastische und plastische Stöße

5. Drehbewegungen, Drehmoment und Trägheitsmoment, Drehimpuls und Rotationsenergie, Kreiselbewegungen

6. Harmonische Schwingungen, Überlagerung von Schwingungen, gedämpfte und erzwungene Schwingungen

7. Mechanische Wellen, Wellengleichung, stehende Wellen, Interferenz und Beugung, Akustik, Doppler-Effekt

8. Elektrostatik, Coulomb-Gesetz, elektrische Felder, Gaußscher Satz, elektrische Influenz

9. Kondensatoren, Ströme und Widerstände, Arbeit und Leistung, Schaltungen

10. Magnetismus, magnetische Kräfte zwischen Stromleitern, Spulen, Lorentz-Kraft

11. Magnetisierung, Induktionsgesetz, Motor, Generator und Transformator

12. Stahlenoptik und optische Abbildungen, Detektion, Brechung und Reflexion

13. Linsen und Spiegel, Abbildungsfehler, Lupe, Mikroskop und Fernrohr

14. Wellenoptik, Interferenz und Beugung von Licht, Polarisation und Streuung

Inhalt des Praktikums:
• Messen, statistische Theorie der Messunsicherheiten
• Mechanik (Waage, Schwingung und Resonanz)
• Wärmelehre (Zustandsgleichung realer Gase, Wärmeleitung, Brennstoffzelle)
• Optik (Spektralphotometrie, Mikroskop)
• Elektrizitätslehre (Elektrische Grundschaltungen, Wechselstrom, Elektrolyse)

Die Studierenden verfügen nach erfolgreichem Bestehen des Moduls

Physik für Life Sciences über folgende Kompetenzen:

(1) Grundkenntnisse in Physik, mathematischen Methoden der Physik, Statistik und Fehlerrechnung 

(2) Berechnen und Skizzieren des zeitlichen und räumlichen Verlaufs von Bewegungen. Anwenden den Newtonschen Gesetzten. Verständnis der Ursachen und Wirkungen verschiedener Kräfte

(3) Anwenden von Impulserhaltung, sowie Energieumwandlung und Erhaltung

(4) Beschreiben und Berechnen elastischer und plastischer Stöße

(5) Beschreibung und Berechnung von Drehbewegungen, Anwendung von Drehmoment und Trägheitsmoment, sowie Drehimpulserhaltung

(6) Beschreibung von freien, gedämpften, und erzwungenen Schwingungen, sowie Überlagerung von Schwingungen und Fourier-Analyse.

(7) Grundkenntnisse über mechanische Wellen, Akustik und Doppler-Effekt

(8) Verständnis und Anwendung der Grundprinzipien der Elektrostatik, elektr. Ströme und Spannungen 

(9) Kenntnisse über die Eigenschaften von Kondensatoren und Widerstände, Berechnung von elektrischen Schaltungen

(10) Verständnis der Grundprinzipien des Magnetismus, Berechnung von magnetischen Kräften und Feldern. 

(11) Anwendung des Induktionsgesetzes, Motoren, Generatoren und Transformatoren

(12) Grundkenntnisse über Strahlenoptik, optischer Detektion, Brechung und Reflexion. 

(13) Berechnung von optischen Abbildungen mittels Linsen, Spiegeln, Lupen, Mikroskop und Fernrohr

(14) Beschreiben und Berechnen optischer Interferenz und Beugung, Kenntnisse über Polarisation und Streuung

Mathematikkenntnisse gemäß Abitur oder äquivalent:

·   Geometrie 

·   Vektorrechnung 

·    Differential- und Integralrechnung. 

Das Modul besteht aus der Vorlesung Physik für Life Sciences, einer Übung zu Physik für Life Sciences und einem physikalischen Praktikum für Life Sciences.

In der Vorlesung „Physik für Life Sciences“ werden die Inhalte im Vortrag sowie durch anschauliche Beispiele und begleitende Demonstrationsexperimente sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, welche die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte im ersten Teil jeder Übungseinheit bearbeiten sollen. Im weiteren Verlauf der Übungseinheit werden Musterlösungen von Studierenden oder dem/der Dozent/in präsentiert und gegebenenfalls werden auch alternative Lösungswege diskutiert. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die Lernformate Vorlesung und Übung sind eng verzahnt und die Dozenten befinden sich im ständigen Austausch.

Das Praktikum besteht aus einer Übungsphase und einem Prüfungstag. Während der Übungsphase führen die Studierenden sieben verschiedene Versuche selbstständig durch. Einer davon wird in etwas modifizierter Form am Prüfungstag wiederholt. Die Studierenden arbeiten an den Experimenten in Kleingruppen von zwei bis drei Personen und fertigen gemeinsam ein Versuchsprotokoll an. Die Studierenden führen in der Gruppe alle sieben Experimente durch und müssen zu jedem dieser Experimente ein Versuchsprotokoll anfertigen, das vom Tutor positiv bewertet werden muss.

Die in der Vorlesung verwendeten Medien setzen sich aus Powerpoint Präsentationen, Videos und Tafelanschrieben zusammen. Für die Übungen gibt es Aufgabenblätter. Begleitend wird ein e-Learning Kurs auf Moodle angeboten, in dem die Vorlesungsfolien sowie die Übungsblätter als pdf zum Download angeboten werden. Nachdem die Aufgaben in den Übungen diskutiert wurden, stehen auch Musterlösungen zum Download bereit.

• Olaf Fritsche „Physik für Biologen und Mediziner“ Springer Verlag

• Paul A. Tipler: Physik. Spektrum Lehrbuch, 3. korr. Nachdruck 2000
• D. Giancoli: Physik, Pearson Verlag, 1. Auflage 2011

Die Modulprüfung besteht aus zwei Teilen. Die Lernergebnisse aus Vorlesung und Übung werden in einer 90-minütigen schriftlichen Klausur geprüft. Die im Praktikum erworbenen Fähigkeiten und Kenntnisse werden in einer Laborleistung geprüft, die mit der schriftlichen Erstellung eines benoteten Versuchsprotokolls abschließt. Diese Laborleistung dauert 240 Minuten und umfasst die Durchführung, Dokumentation, Auswertung und Diskussion eines Experimentes sowie die schriftliche Beantwortung von Fragen zu physikalischen Grundlagen, Durchführung und Versuchsaufbau. Die Note der Modulprüfung ergibt sich aus den beiden Teilnoten mit dem Schlüssel 4/7 Klausur und 3/7 Laborleistung.

Prüfungsaufgabe in der Klausur könnte beispielsweise sein: Ein Hochstrahlbrunnen spritzt das Wasser bis in eine Höhe von 140 Metern über der Düse. a) Berechnen Sie die Geschwindigkeit v0 (in km/h), mit der das Wasser aus der Düse strömen würde, wenn keine mechanische Energie verloren ginge. b) Berechnen Sie die Geschwindigkeit v1 (ebenfalls in km/h) des Wassers in halber Höhe. c) Erläutern Sie, warum der tatsächliche Wert der Geschwindigkeit des aufsteigenden Wassers mit ca. 200km/h für v0 über dem berechneten Wert liegt. d) Berechnen Sie welche Höhe die Fontäne erreichen würde, wenn v0 nur halb so groß wie der in Aufgabenteil a) berechnete Wert wäre. e) Pro Sekunde durchlaufen die 500 l Wasser die Düse. Untersuchen Sie, wie lange die Fontäne mit einer Energie von 10.000 Kalorien betrieben werden kann.

Während der Klausur sind folgende Hilfsmittel zugelassen: Taschenrechner und handgeschriebene Formelsammlung der Größe A4 (keine Kopien).

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.