PHYSIK M PHYSIK 1. Maschinenbau, Maschinenbau - Wirtschaft. Technische Chemie. Institut für Experimentalphysik

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1 PHYSIK M Maschinenbau, Maschinenbau - Wirtschaft PHYSIK 1 Technische Chemie 1

2 Theo Neger Ao.Univ.-Prof. DI Dr.techn., TU Graz 8020 Graz, Petersgasse 16 Trakt 3, Zi. # 005 Physikbau 2

3 Prüfungen Schriftlich Trennung in Verständnisfragen und Rechenaufgaben 3 Termine/Semester (Aushang) 3

4 Skripten Vorlesungsskriptum Einfache Rechenbeispiele zur Vorlesung Physik M bzw. Physik 1 (beide sind nur nach Reservierung durch Vorausbezahlung erhältlich) Achtung: Reservierung von Skripten zwischen und möglich (während der Vorlesung)!!! 4

5 Weitere Informationen: Um Hinweise auf Fehler u.a. wird gebeten an: 5

6 Was ist Physik? Physik ist die Naturwissenschaft, die sich mit den Grundbausteinen der uns umgebenden Welt und deren gegenseitigen Wechselwirkungen beschäftigt. Das Ziel physikalischer Forschung ist ein grundlegendes Verständnis auch komplizierter Körper aus ihrem Aufbau aus ''elementaren'' Teilchen, deren Wechselwirkungen sich auf wenige unterschiedliche Typen reduzieren lassen. Komplexe Naturvorgänge sollen auf einfache Gesetzmäßigkeiten zurückgeführt, quantifiziert und, wenn möglich, voraussagbar werden. 6

7 Anders ausgedrückt: Was ist Physik? Die PhysikerInnen versuchen, in der Vielfalt der Naturerscheinungen Gesetzmäßigkeiten und Zusammenhänge aufzufinden und die beobachteten Phänomene durch wenige Grundprinzipien zu erklären. 7

8 Ziel der Lehrveranstaltung Physik in heutiger Sicht, wie werden physikalische Phänomene zeitgemäß analysiert Vorbereitung auf Arbeiten mit phys. Problemstellung Erlernen physikalischer Definitionen und Begriffe eigene Sprachregelung 8

9 Was soll prinzipiell klar werden? Es sind prinzipiell zwei Beschreibungsarten der Natur möglich: Eine ist die makroskopische (globale) und damit phänomenologische (kommt dem Laien eher entgegen). Die andere ist die mikroskopische, die auf die Struktur der Materie eingeht. Dies ist das typische Gebiet der Atom- und Quantentheorie. 9

10 Was soll prinzipiell klar werden? Es gibt zwei komplementäre Möglichkeiten, Naturphänomene zu beschreiben: Eine stützt sich auf das sogenannte Teilchenbild, die andere auf den Feldbegriff (Gravitationsfeld, elektromagnetisches Feld etc.) und damit auf das Wellenbild. 10

11 Was soll prinzipiell klar werden? Die Höhe der involvierten Energie bringt mit sich, ob: eine NEWTON-MAXWELL'sche Physik zur Beschreibung ausreicht (niedrige Energien), oder die EINSTEIN'sche Relativitätstheorie und Theorien der nuklearen Kräfte herangezogen werden müssen (hohe Energien). 11

12 Was soll prinzipiell klar werden? Es existieren zwei prinzipiell unterschiedliche Arten physikalischer Gesetze: Die einen sind die sogenannten fundamentalen, wie etwa die Erhaltungssätze, das Gravitationsgesetz oder die Gesetze des Elektromagnetismus etc. Die anderen sind statistischer Natur, wie etwa Gesetze der Reibung und der Viskosität, Gasgesetze etc. 12

13 Problem: Historische Entwicklung Heutige Sicht Die heute als selbstverständlich erscheinenden Vorstellungen sind noch gar nicht so alt und wurden oft erst nach Irrungen, korrigiert durch experimentelle Erfahrung, gewonnen. Es lohnt sich für Absolventen einer Ingenieurdisziplin, sich eingehender mit der geschichtlichen Entwicklung zu befassen. 13

14 Historisches Physik, leitet sich von griech. Ausdruck ab Natur wurde Synonym für Studium der Naturphänomene Ursprünglich: Optik, Akustik, Thermodynamik, Mechanik waren eigenständige Wissenschaften (entsprechend den Sinneswahrnehmungen Sehen, Hören, Wärmeempfinden, Bewegung) 14

15 Elektromagnetismus: Historisches Bis zum 19. Jahrhundert ein mehr oder weniger unorganisierter Teilbereich Ende des 19. Jahrhunderts: Relevante Probleme schienen gelöst, geschlossenes Weltbild schien sich abzuzeichen 15

16 Historisches Jähe Änderung durch neue grundlegende experimentelle Erfahrungen! Max Planck Albert Einstein Moderne Physik (Relativitätstheorie, Quantenmechanik) 16

17 Historisches Auch klassische Bereiche der Physik mußten dadurch in einem anderen Licht gesehen werden. Wichtige Erkenntnis: Physik als Ganzes, einheitliche Betrachtungsweise notwendig 17

18 Historisches In wohl keiner anderen Wissenschaft spielt der breite Überblick mit all den möglichen Analogien eine so entscheidende Rolle zum Verständnis der Phänomene wie hier. Die Erkenntnis gewinnen PhysikerInnen aus dem Wechselspiel von Theorie und Experiment, in dem letztlich immer die Natur entscheidet. 18

19 Vergleich der Physik mit anderen Wissenschaften Physik wegen fundamentalen Charakters Grundlage bzw. Ausgangspunkt für viele anderen Wissenschaften 19

20 Vergleich der Physik mit anderen Wissenschaften Chemie: beschäftigt sich mit einem ganz speziellen Aspekt dieses sehr umfassenden Bereiches, nämlich der Anwendung der physikalischen Gesetze auf die Struktur und Bildung von Molekülen, ihren Wechselwirkungen untereinander und den verschiedenen Methoden, bestimmte Moleküle über geeignete Reaktionen in andere zu verwandeln. 20

21 Vergleich der Physik mit anderen Wissenschaften Biologie Greift auf Physik und Chemie zurück, um die Vorgänge in sehr komplexen, lebenden Systemen beschreiben zu können. 21

22 Vergleich der Physik mit anderen Wissenschaften Ingenieurwissenschaften: Die Anwendung physikalischer und chemischer Prinzipien auf praktische Probleme, in der Forschung und in der technischen Entwicklung, hat das Entstehen verschiedener Ingenieurzweige mit sich gebracht. Ohne ein profundes Verständnis physikalischer Zusammenhänge wären solche moderne technische Bereiche in ihrer heutigen Form undenkbar. 22

23 Nutzung physikalischer Meßtechnik Astronomie: Optik, Spektroskopie Geologie: gravimetrische, akustische, mechanische Methoden weiters in: Ozeanographie, Meteorologie, Seismologie, etc. 23

24 Rolle der Physik im interdisziplinären Bereich Erforschung des Kosmos: Kosmologie, Astrophysik, Erkundung der Planeten und Galaxien, Raumfahrt, Gravitations- und Relativitätstheorie. 24

25 Rolle der Physik im interdisziplinären Bereich Erforschung der Biosphäre: Die Erforschung dieser nur etwa 15 km dicken Schicht zählt heute zu den wichtigsten Aufgaben in Hinblick auf die Erhaltung einer intakten Umwelt (Verunreinigung, Energieproblematik, Aufheizung der Atmosphäre, Ozonproblematik). 25

26 Rolle der Physik im interdisziplinären Bereich Physikalische Medizin: Moderne medizinische Diagnose-Techniken sind ohne physikalische Meßmethoden heutzutage undenkbar (Computertomographie, Kernspinresonanz, Sonographie, etc.) 26

27 Zur Bedeutung des Experiments Physik kausaler Zusammenhang Naturbeobachtung sorgfältige Experimente Sorgfältige und kritische Beurteilung der Phänomene: Genaue Protokollierung, Messung und Analyse der einzelnen Faktoren und Umstände, die zu dem jeweiligen Phänomen beitragen können. Durch unterschiedliche Gegebenheiten ist ein Experimentieren mitunter sehr erschwert bzw. es können Trugschlüsse gezogen werden. Deshalb müssen die experimentellen Bedingungen in breiten Parameterbereichen variiert werden, um schlüssige Aussagen zu erlauben. 27

28 Was ist ein Experiment? Das Experiment stellt eine gezielte Frage an die Natur dar. Bei geeigneter experimenteller Anordnung kann eine eindeutige und reproduzierbare Antwort erhalten werden. 28

29 Ziel des Experiments? Ziel aller Experimente ist es, Gesetzmäßigkeiten aufzufinden, die die Fülle der Beobachtungen in einen größeren, überschaubaren Zusammenhang bringen. Der Sinn eines so gefundenen Gesetzes ist aber nicht nur die Zusammenfassung vieler Einzelergebnisse, sondern vor allem die Möglichkeit, physikalische Vorgänge quantitativ vorauszusagen. 29

30 Physikalisches Gesetz Ein physikalisches Gesetz verknüpft meßbare Größen und Begriffe miteinander. Seine übersichtliche Schreibweise ist die mathematische Gleichung. Eine solche mathematische Formelsprache läßt am klarsten Zusammenhänge zwischen verschiedenen physikalischen Gesetzen erkennen und erleichtert das Zurückführen vieler, anfänglich verschieden erscheinender Gesetze auf wenige, in der gesamten Physik gültige Prinzipien. 30

31 Theorie Der Gültigkeitsbereich einer physikalischen Theorie wird durch Experimente geprüft. Durch Anwendung deduktiver Methoden und mathematischer Techniken sind dann Voraussagen möglich, die wiederum experimentell zu verifizieren sind. Experimentell festgestellte Abweichungen von den Voraussagen müssen wiederum im theoretischen Modell berücksichtigt werden usw. 31

32 Modellbegriff und Physik Beispiel: Fall eines Körpers Messung von Fallweg und Fallzeit Fallgesetz (unabhängig von Ausdehnung, Gestalt, Art des Materials und Masse, solange störende Einflüsse wie Luftreibung vernachlässigt werden können) 32

33 Modellbegriff und Physik Modell: Massenpunkt, Punktmechanik D.h., in diesem Experiment verhält sich der Körper wie ein Massenpunkt. Die aus dem Modell resultierende Theorie kann nun eine vollständige Beschreibung des Verhaltens von Massenpunkten in Schwerefeldern geben, die die Ergebnisse aller solcher Experimente richtig vorhersagen kann. 33

34 Modellbegriff und Physik Fall des selben Körpers in Wasser? Fallzeit und Fallweg hängen von Körpermaterial und Gestalt des Körpers ab! 34

35 Modellbegriff und Physik Erweiterung des Modells Modell des starren, ausgedehnten Körpers Wiederum kann die so erweiterte Theorie vollständig das Verhalten von starren, ausgedehnten Körpern und ihre Bewegungsgesetze beschreiben. 35

36 Modellbegriff und Physik Fall des Körpers auf elastische Stahlplatte Verformbarkeit und Elastizität des Körpers zu berücksichtigen Modell des deformierbaren Körpers 36

37 Modellbegriff und Physik Die theoretische Beschreibung in der Physik ist immer die Beschreibung eines Modells, das man sich von der Natur macht. Wie das Modell aussieht, hängt von der Fragestellung und der Art des durchgeführten Experimentes ab. Im allgemeinen prüft ein Experiment nicht alle, sondern nur einige Eigenschaften des Modells. Bestätigt dieses Experiment diese Eigenschaften, so schließt man: Die Natur verhält sich bei diesem Experiment wie das entsprechende Modell, gibt also die gleiche Antwort auf das Modell wie das Modell voraussagt. 37

38 Reduktion mittels Naturgesetz, Mathematisierung Reduktion mittels Experiment mehrere einfache Arbeitsmodelle wenige Arbeitsmodelle verfeinertes Modell Naturgesetz, Fakten, Intuition Problemstellung Experiment zur Erhärtung oder Widerlegung der Annahmen Naturbeobachtung anspruchsvolles, umfassendes Modellbild der Wirklichkeit Wahrnehmung mit Sinnesorganen, physikalischen Instrumenten, Apparaturen Überdenken der Grundlagen WIRKLICHKEIT 38