Mitschrift
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AG-Tagung Physik - Physik des Körpers und der Sinne - 1.3.2013 Mag Duenbostl, Pr. Mathelitsch Download der Materialien auf der AG-Webseite PPT Mitschrift an Hand des Vortrags der Folien von Pr. Mathelitsch „Mädchen – interessieren sich für Physik des Körpers, nicht für Technik Burschen – interessieren sich für Technik, aber nicht nicht für das andere Thema“ Fächerübergreifend mit Chemie und Biologie 1 Physik des Auges siehe PPT Funktionsweise lange bekannt Umkehrbrille 2-3 Tage bis Gehirn umgestellt ist Aber nur wenige Stunden zum Rückstellen nötig! Aufbau des Auges Brechung zum größten Teil in Hornhaut 80% Linse zur Feinabstimmung Experiment Augenmodell Flüssigkeitsgefüllte Linse, … Stäbchen – Zäpfchen Stäbchen 100 106, gleichmäßig verteilt - Helligkeit Zapfen Nachtaktive fehlen sie, Tagaktive – haben sie vermehrt – Farben 5 106, nur im Zentrum Netzhaut = einziger Teil des Hirns, den man von außen sehen kann – aus Hirnzellen vor Urzeiten entstanden Retina mit Verarbeitung, Licht trifft auf Pigmentschicht ganz hinten – damit nichts reflektiert wird, wird absorbiert, damit System nicht blockiert wird, gehen Photonen nur einmal durch! Wenn man Foto macht – Rote Augen – Restlicht, das nicht absorbiert wird, es wird reflektiert, liegt im roten Wellenlängenbereich Anders bei Tieren – wollen jedes Photon aufnehmen!– Pigmentschicht hinten ist reflektierend, damit sie gut sehen können – andere Reflektion der Augen, wenn sie angeleuchtet werden Stäbchen- scheibchenartig aufgebaut, werden abgestoßen, erneuert Zapfen – wie Strudelteig – eine Schicht Retinal – Photon kommt ins Auge – trifft auf Retinal – geknickte Form wird in gerade Form übergeleitet (wenig Energie nötig) Angedockt an Eiweiß (Opsine) – Stäbchen – Rodopsin Zapfen –drei anderen Opsinearten in einem der Zapfen Effizient der Aufnahme von Photonen: Tetinal nimmt Photon mit verschiedener Effektivität auf – hängt von Eiweiß ab Aktionspotential im Nerven Chemischer Prozess - Lawine (Kaskade) – Photon bewirkt Übergang von Cis auf Trans – verschiedener Verstärkungsfaktor, durch 1 Photon bewirkt – Abbau der Moleküle Anregung der Sehzelle Dunkel – Zelle arbeitet immer - Membranen sind durchlässig, außen für Na, innen für Ka, normalerweise geht gleich viel rein und raus – Zelle ist neutral – ist ein dauernder Vorgang Aktiv durch Energie-Aufwendung wird Ungleichgewicht ausgeglichen, Netzhaut braucht viel Energie Offenheit der Membran hängt von Molekülen von vorher hab, wenn das Molekül nicht vorhanden ist, dann schließt der Na+ Kanal – aber das Kalium geht noch raus – Zelle ist negativ geladen Sensitivität Wellenlänge, Effizienz der Zellen 1 Photon reizt 1 Stäbchen, 1000 einen Zapfen – Frequenzabhängiger Prozess Nacht – keine Photonen vorhanden! Farbensehen Entsteht durch Vergleich der Farbzellen zueinander! Triple – die drei Zahlen geben an, was wir sehen – wie RGB bei Bildschirm Zelle für Rot Grün reagiert immer mit den anderen, blau in Richtung UV allein, Rot reagiert auch in einem Bereich allein Farbmischung Gelb und blau – grün – Frequenz des Photons – zwei Frequenzen – gelb und blau – entsprechende Sehzellen durch Frequenzen angeregt Schlag auf Auge, Drogen Durch Druck oder Drogen – Sehzellen aktiviert – sehe Farbe, Blitze Farbdruck Farbkreisel – zeitliche Nähe der Farben beim Drehen Benham Scheibe – wenn man sie dreht – sieht man Farben Aus schwarzweiß entsteht Farbe – drehe in die andere Richtung – Farben ändern sich Reizung der Sehzelle steigt an – geht nicht in Stufen! Art Tafelberg Funktion, Anstieg für jede Farbe anders – wenn schwarz Weiß angeregt wird (alle Frequenzen) – wenn das am Anstieg des Tafelbergs passiert – dann wird dieser verstärkt, weil die Sehzellen unterschiedlich schnell reagieren ist das Ergebnis ein anderes Zahlentripel andere Farbe Farbige Nachbilder – Aktivität von rot sinkt, schau auf weiß – rotes Tripel passt nicht – anderes Tripel – sehe Komplementärfarbe Gen für Farbblindheit liegt am X-Chromosom – Männer haben nur eins – wenn defekt – tja, Frauen haben zwei - ersetzt 0,6% Frauen, Männer - ?% Farbenblindheit Roter Fluss, Zufall was der Maler wie wählt Programme vom Institut für Physikdidaktik in Erlangen! Zum Arbeiten für Schüler Farbige Schatten will Kohle aus dem Keller holen – Wand ist weiß – Kohle schwarz – draußen im Sonnenlicht ist die Kohle viel heller, als die weiße Wand im Keller Banane – in der Früh – Banane müsste orange sein Zu Mittag – grünlich weil Licht gelb und blau Sehe Banane immer gelb Abhängig von Umgebung sehen wir andere Farben! Früher – Röhrenbildschirm – grün – durch Einschalten wird schwarz möglich gemacht – entsteht durch Vergleich mit Umgebung der anderen Pixel Wir vergleichen! Gehirn! nach links oder rechts verschoben Unser Auge und Hirn betrügen uns Objektiv gemessen ergeben sich andere Werte! Wo liegt der Sinn darin, dass die Tageszeit das Bild vorgibt? Morgen und Abend – viel Blau Anteil Zu Mittag – Rot Anteil Objektiv – zu Mittag grün, am Morgen ROT – Evolution – zu Mittag Täuschung – Entscheidungshilfe zur Feststellung von Reife, Unreife Gleich bleibend ist nicht das was reflektiert wird, sondern das was relativ gleich bleibt Egal wie eine Zitrone beleuchtet wird, ich sehe sie immer gelb Wir müssten zu Mittag alle Gesichter rot sehen – tun wir nicht – wir können jemanden erbleichen sehen – da gibt es weniger Intensitätsunterschied als bei Morgen/Abendlicht Farbenunterschied – ist auch Kultur bedingt, Völker im Süden, können weniger im blauen Bereich unterscheiden (Äquator, Eskimo – 10 Farben für weiß) Frau Müllers Gespür für Schnee – Krimi Altersbedingt – weniger Blau Zusammenfassung Folie – von oben nach unten Praxis der Naturwissenschaften, - Artikel, Google – Farben – Mathelitsch suchen Gibt noch Gestalt, Bewegung, …. 2 Physik des Ohrs Aufbau des Ohres (kleinste Knochen im Ohr), .. Zwei Ohren: Das wir besser ausschauen Richtungshören Raleigh Abschattungseffekt Intensität unterschiedlich, Relation, Ortung Bedingt funktionsfähig Körper nur dann Hindernis, wenn Welle wesentlich kleiner als das Objekt, 100 Hz, 340 Hz – 1m Wellenlänge f>4000 Hz – Größe Kopf – um Kopf gebeugt – vorn und hinten gleiche Intensität (jenseits 5000 Hz) aber auch wenn kleiner, können wir die Quelle orten – zeitliche Auflösung Weg des Schalls Unbewusst – können wir Zeiten von 0,1 ms auflösen, bewusst 5 ms Bewusst – hör zwei klicks – einen von links, einen von rechts Aber weiß unter 5 ms ob klick von links oder rechts – hör einen – im Hirn bereits erfasst! Aussehen des Ohrs – Darwin: „Furchen und Rippen des Ohrs funktionslos“ Mach: es gibt einen Grund, aber der ist nicht bekannt 1997: Burchard: Rolle – Schall kommt auf zwei Wegen rein, direkt und von oben reingeleitet wir hören zwei „klicks“ Sinn dahinter: schon vorher horizontal auflösen, damit können wir die Quelle auch vertikal auflösen – 45° von unten – zuerst gleich und dann von oben – Differenz größer, von oben – Differenz kleiner – kann orten Mittelohr Knöchelchen – Hebelwirkung, Kraftübertragung durch verschiedene Flächen, Schnecke Flüssigkeit gefüllt Schall auf Flüssigkeit übertragen geht schwer, wird reflektiert – mechanisches System kann auf Flüssigkeit effizienter Energie übertragen Schnecke Zwei Kammersystem, an Spitze verbunden, Druck über eine Kammer nach oben – in zweite Kammer nach unten Ursprung: In Schnecke schwingen die Härchen für verschiedene Frequenzen an verschiedenen Stellen Cortische Fasern, Länge, Steifheit unterschiedlich Alle Härchen schauen gleich aus! Lösung: Härchen sitzen an Membran zwischen den Kammern – Baselarmembran – Membran ist verschieden Dick und steif – vorne steifer, hinten schlaffer – Resonanz! – hinten die tiefen f, vorne die hohen f! Wanderwellen – Nobelpreis Elefantenohr! Zoo van Bekechy, Budapest Querschnitt durch Baselarmembran – „unhomogene Saite“ Härchen in der Mitte stehen oben an Folie – relative Bewegung von Untergrund zu Obergrund – seitliche Verschiebung – mechanisch Ionenkanal geöffnet – Aktionspotential - Membran schwingt – Haare schwingen- Kanal öffnet sich – schneller – Bereich bis zu 20000 Hz – schneller Frequenzauflösung Was fehlt uns noch – Frequenzauflösung auf Baselarmembran – Resonanzbereiche eingezeichnet – breit, warum hören wir so genau Frequenzunterschiede, „Schärfe der Auflösung“ Versuch: 2 Töne hintereinander spielen – Unterschied feststellen Gibt zwei Arten von Härchen – äußere und innere Haarzellen Innere Funktionsweise wie oben angegeben 4000 Äußere- 12000 – Leitung vom Hirn zum Ohr – Aktin eingelagert – aktiv kann Bewegung ausgelöst werden- scheint so zu sein, als ob Signale vom Hirn zum Ohr kommen und die Zellen sich bewegen- die Membran zu schwingen beginnt – und die Bewegung über das ganze System bis nach außen abgeleitet wird – „Ohr singt“ – gibt Töne ab Feinauflösung wie? Links – passiv von außen Ton Rechts – wenn Teil der Membran schon schwingt – rechts – aufschaukeln Erfahrung – Modelle von Klängen in uns gespeichert – die aktiviert werden wenn wir in bestimmten Situationen sind Ohr ist sehr aktiv! Frequenz die wir hören – 40 – 20000 Hz (20 Jahre) Ältere Menschen – bis 10000 Hz Grundton – Obertöne – bei Stimmen – Grundton – spreche, singe – 4. – 7. Stimmart – Unterschiede Vater – Sohn Telefone schneiden oben weg, aber auch unten bis zu 300 Hz, aus Erfahrung gibt mein Hirn immer den unteren Teil dazu Orgeln – je tiefer Ton desto länger Pfeife, wenn lange Pfeife nicht möglich – Ton durch zwei andere Pfeifen erzeugt – „Kombinationston“ Klang – Grundton und Obertöne – z.B. 100 Hz – werden 200 u 300 Hz gespielt für Grundton Versuche dazu – 3 Physik der Haut Fläche: Lunge 100 m² - wirksame Fläche! Darm 400 – 500 m² Haut 2 m², Gewicht = 1/6 der Körpermasse Hautaufbau Teile behaart Bei der behaarten Epidermis dünner Fötus – 1,2 cm – Druckempfindung bereits in der 8, Schwangerschaftswoche Haare Drucksensoren Nicht gleichmäßig wahrgenommen Versuch: 1 oder 2 Spitzen gleichzeitig Empfindlichkeitskurve – wo kann ich zwei Druckstellen nicht auflösen Speicherplatz im Gehirn Berührung Wichtig!!!!! Frühgeburten – streicheln steigert Entwicklung Berührung – Bibliothekarin, Kellnerin Rezeptoren für Temperatur 0,17 mm unter Oberfläche – Kälte mehr, 0,3 mm Wärmesensoren Nase, Stirn, Oberlippe Wärme – wo man etwas berührt, am Puls Bereich für Wahrnehmung nur eng zwischen 15 – 45 Grad (warm, kalt) Drüber und drunter = Schmerz Änderung ist wichtiger als die absolute Empfindung Temperatursteuerung Hypotalamus – Arterie vom Herz – Temperatur bestimmt – Regelkreis – Abkühlung auf 34° - kann nicht mehr hören und sehen, drunter Wärmeregulierung setzt aus – Leute ziehen sich aus – können warm/kalt nicht mehr unterscheiden– erfrieren 20° - Atembewegung kommt zum Stillstand – Titanic nicht viel Zeit Temperatur messen IR-Thermometer Voltcraft FLIR - Wärmecamera Hand trocken, feucht messen 28,1 – 26,8 simuliert Schweißbildung T-Shirt eng anliegend, nicht nass und nass 27° - 32° - Labor (keine Luft mehr drunter – keine Isolation! Wasser schlechter WL aber guter Wärmeleiter in Relation zur Luft) 4 Geschmackssinn Alle 10 Tage erneuert Papillen und Knospen Schmecken nur möglich, wenn in Speichel aufgelöst! Süß, salzig, sauer, bitter, umami (fleischig, sojasoße, ) sauer, salzig: Wasserstoffion, NaCl – geht rein - löst Aktionspotential süß, bitter: Moleküle polarisieren elektrisch Nötig – zur Unterscheidung ist Nahrung reif, giftig … 5 Geruch Test – Parfüm in Mitte des Raumes versprüht – wer’s riecht steht auf Richepidel, Schleimhautschicht – Moleküle in Schicht gelöst – Ableitung – Riechzellen Rezeptoren werden aktiviert Geruchsstoffe haben elektrostatische Gestalt – Rezeptoren sind darauf abgestimmt – 15 106 Sinneszellen alle 60 Tage neu gebildet – 1000 verschiedene Rezeptoren, kann ungefähr 10000 Gerüche unterscheiden 8 Moleküle lösen ein Aktionspotential aus, manche Tiere sind effektiver bei Umschaltung was reinkommt und weitergeleitet wird (Pheromone) Hund 200 106 Eisbär – 109 Riechzellen Stark mit Emotionen verbunden – Wasser, „ätzend“, Frauen – gleiche Firma – gleiche Zeit der Menstruation – geht über Geruch Geruch und Gedächtnis sind gut verbunden, mit Sprache weniger 6 Wirbelsäule Schutzfunktion (Nerven, Kopf, Brustkorb), Stützfunktion 2 S Form – federt besser Bandscheiben 23 Stück, Kopf und nächste 2 Wirbel keine, ¼ der Länge der Wirbelsäule (größer in Früh), Gallertartig, Flüssigkeit (Kräfteverteilung, Nahrstoffaufnahme), aufrecht stehen: Kräfteverteilung nach unten Neigung: Sporn soll verhindern dass Verschiebung stattfindet Zum Stehen – Kräfte- und Drehmomentgleichgewicht nötig Muskeln nötig! Belastung messen Schwerpunkt über Nabel, 3 cm innerhalb von Wirbelsäule weg Bauch – 10 kg, SP geht auf 6 cm raus enorme Zusatzbelastung! Sitzen Kopfhaltung – doppelte an Kraftaufwand! Tragen – verstärkt das noch! Fahrrad, gebeugt sitzen, Stöße von unten Achtung! Immense Übertragung 7 Muskel Funktionsweise, Muskelkraft hängt mit 1/v zusammen, je langsamer er arbeitet, desto mehr Kraft kann er aufbringen Anzahl liegt schon bei der Geburt fest, nur die Masse kann ich ändern, Querschnitt gibt Ausmaß der Kraft an Zusammenziehen = Ineinanderschieben der Fibrillen Triphosphat geht über in Diphosphat – Energie zur Bewegung genutzt Kraft im Muskel – Hill-Kurve Links von Achse geht Kurve etwas rauf – wenn Kasten, auf mich drauf fliegt hab ich kurz mehr Kraft als wenn ich ihn schieben will, wenn ich etwas runterlasse mehr Kraft, als wenn ich es hebe Handmuskel Beinmuskulatur Versuche 8 Lunge Träges Gewebe, ist kein Muskel, Atmen passiert mit Muskeln, die um Lunge liegen (zwischen Rippen, Zwerchfell) Apnoe Tauchen Normal: Atmen – raus/rein – 0,5 Liter Gas Vitalkapazität 4 Liter Restvolumen ungefähr 1,5 Liter – laufend ausgetauscht Nitsch: Vitalkapazität 10 Liter, angeboren und antrainiert, 9 Minuten Luft anhalten Restkapazität – Luft in Lunge; Hilfsmittel zum Tauchen – nicht zum nicht Atmen! Je weiter runter – desto mehr Lunge zusammengedrückt – Flüssigkeit in Lunge hineingedrückt, Hyperventilieren, Sauerstoff einatmen Unfall – Kontrolle verloren, rauf kommen, Überdruckkammer, 9 Schlagendes Herz Rechte Kammer weniger Arbeit – zur Lunge Linke Kammer mehr Arbeit – bis zu Beinen Herz wird nicht über Nerven, sondern nur über Muskeln gesteuert! Auslösungspotential von Sinusknoten über Muskeln zum AV-Knoten geleitet von dort weiter – bewirkt die Kontraktion von beiden Seiten gleichzeitig Na, Ca, K – Reizleitung Herz verschieden geladen, Körper viel Flüssigkeit, elektrischen Potentiale außen feststellbar – Elektroden - EKG
