Einführung in die Physik I Mechanik und Wärmelehre

Transkript

1 Einführung in die Physik I Mechanik und Wärmelehre Galaxienhaufen m Astrophysik m Elementarteilchenphysik Aristoteles, Ptolemäus PD Dr. Walter Pfeiffer (Mechanik) Prof. Dr. Peter Jakob (Wärmelehre)

2 1 Vorbemerkungen Was ist Physik? Seit wann gibt es Physik? Wie studiere ich Physik?

3 1.1 Was ist Physik? jusikoz (physikos): griechisch Natürlich jusiz (physis): griechisch Natur Physik Wissenschaft, die sich mit Energie und ihrer Wechselwirkung mit Materie beschäftigt Entmythologisierung der Natur, Gegensatz zur Metaphysik Physik basiert auf Experiment und Theorie. Theorien/Modelle können durch ein Experiment widerlegt werden

4 1.1 Vorgeschichte Astronomie zur Orientierung im Jahreslauf ( Ackerbau) Hinweise auf hochentwickelte astronomische Beobachtungen Stonehenge 3000 & 2500 BC Mythologie und Ritus Gräber orientieren sich an astronomischen Konstellationen Newgrange Irland 3200 BC Wintersonnwende

5 1.1 Historische Entwicklung

6 1.1 Die Antike Abstrakte Physik Elementenlehre Wasser, Feuer, Luft, Erde Kein Effekt ohne Ursache Aristoteles ( BC) Kosmologie Gesetze für Himmel und Erde unterschiedlich Kraft = Widerstand Geschwindigkeit Archimedes ( BC) Angewandte Physik Experiment fi Gesetz Hydrostatik, Auftrieb Ingenieursleistungen Schiffshebeanlagen Kriegsmaschinen...

7 1.1 Ptolemäisches Weltbild Geographie, Astrologie, Musik, Optik, Astronomie Almageest (Islamische Bezeichnung): Mathematisches Modell der Planetenbewegung Epikzyklen Ptolemäus (ca ) Vorherrschendes Weltbild bis ins 16. Jahrhundert ( Kopernikanische Wende)

8 1.1 Wissenschaft im Islam Al-Khwarizmi (Algorizm) ( ) Algorithmus Al-Haytham Optik ( ) Roger Bacon Al-Zarqali (Arzachel) ( ) Astrolabium Arabisches Astrolabium ca. 1280

9 1.1 Scholastiker In arabischen Übersetzungen kommen die antiken Schriften nach Europa zurück Aristotelisches Weltbild wird Kirchenlehre Vernunft liefert Antworten (im Gegensatz zu autoritätsgläubiger Schriftauslegung) Dialektische Vorgehensweise Thomas von Aquin ( ) Keine Empirie sondern abstrakte Fragestellungen

10 1.1 Wurzeln empirischer Wissenschaft... I wish now to review the principles of wisdom from the point of view of experimental science, because without experiment it is impossible to know anything thoroughly. Roger Bacon ( ) On experimental science (1268) Pluralitas non est ponenda sine neccesitate Wesenheiten soll man nicht über Gebühr vermehren denn es ist eitel, etwas mit mehr zu erreichen, was mit weniger zu erreichen möglich ist. William of Ockham ( )

11 1.1 Die Kopernikanische Wende De Revolutionibus Orbium Coelestium (1543) Heliozentrisches Weltbild Aristarch von Samos ( BC) Nikolaus Kopernikus ( ) Erdrotation Heraklid ( BC) Einfacher als Ptolemäisches Modell aber keine Verbesserung der quantitativen Vorhersagen ( Kepler) Kopernikanisches Prinzip: Der Beobachter darf nicht ausgezeichnet sein

12 1.1 Kopernikanisches Prinzip Aristoteles: Heliozentrisches Weltbild Gesetze für Himmel und Erde sind unterschiedlich Erde ist ausgezeichnet Kopernikus: Es gibt keinen ausgezeichneten Beobachter Jede Theorie, die einen Punkt auszeichnet, ist unphysikalisch!

13 1.1 Die Neuzeit Tycho Brahe ( ) Supernova 1572 Präzision (40 ) Johannes Kepler ( ) Elliptische Bahnen Flächensatz Umlaufzeiten und Radien Newton postuliert Sonnendrehung Optik Science Fiction Galileo Galilei ( ) Jupitermonde Sonnenflecken Trägheit

14 1.1 Versuch: Fallversuch Luft Vakuum

15 1.1 Theorie und Experiment Theorie Hypothese, die eine Klasse von Experimenten widerspruchsfrei erklärt Neue Theorie umfasst alte Theorie und erklärt größere Klasse von Experimenten

16 1.1 Gibt es die allumfassende Theorie?

17 1.1 Erkenntnistheorie und Physik Stimuliert durch Einsteins Relativitätstheorie Empirische Bestätigung einer Theorie ist logisch unmöglich Karl Popper ( ) Wissenschaftliche Theorien müssen falsifizierbar sein und gelten, solange sie nicht falsifiziert werden Thomas Kuhn (1922) Wissenschaftlicher Fortschritt folgt nicht dem Falsifizierbarkeitsgebot Fortschritt durch Krisen und Paradigmenwechsel Sonst: Vertrauen auf Gesetzmäßigkeiten Paul Feyerabend: the only principle that does not inhibit progress is: anything goes.

18 1.1 Physik und Wirklichkeit Wissenschaftlicher Realismus (naiver Realismus) Modelle sind die Wirklichkeit Sozialer Konstruktivismus Theorien wiederspiegeln sozialen und politischen Kontext Wissenschaft ist Diskurs Wirklichkeit ist unwichtig! Instrumentalismus Modelle sind hilfreiche Instrumente zur Beschreibung, Erklärung, Vorhersage und Steuerung unserer Wahrnehmungen. Elektronen mag es geben oder auch nicht "what my net can't catch isn't fish." Sir Arthur Stanley Eddington ( ) British astronomer & physicist, director of Cambridge observatory

19 1.2 Mechanik und Wärmelehre 1 Vorbemerkungen 2 Raum und Zeit 3 Physikalische Größen 4 Punktmechanik 5 Spezielle Relativitätstheorie 6 Mechanik starrer Körper 7 Mechanik nichtstarrer Körper 8 Schwingungen und Wellen 9 Dissipation 10 Klassisches Chaos 11 Wärmelehre Prof. Peter Jakob, voraussichtlich ab Januar 2005

20 1.2 Was ist Mechanik? Mechanik: gr. mechanikos der im Umgang mit Maschinen geübte Alles ist Bewegung Newtonsche Paradoxon! Ohne Bewegung gibt es keine Beobachtung! Physik: Beschreibung der Bewegung Deterministisch Klassische Mechanik Quantenmechanik

21 1.2 Punktmechanik Raum Zeit Massepunkte Idealisierung Kinematik: Beschreibung der Bewegung Dynamik: Ursachen der Bewegung (Kräfte) Bewegungsgleichungen Erhaltungsgrößen Prinzip der kleinsten Wirkung

22 1.2 Verallgemeinerungen der Punktmechanik Starre Körper Relativlage der Massenpunkte sind fix Kreisel Nichtstarre Körper Relativlage der Massenpunkte ist variabel Flüssigkeiten und Gase (Hydrodynamik, Aerodynamik) Deformierbare Festkörper (Kontinuummechanik) Statistische Mechanik Viele Massenpunkte Thermodynamik Komplexe Systeme Strukturbildung (Selbstorganisation) Chaos

23 1.3 Gebrauchsanweisung für die Vorlesung Physik ist vielschichtig Kein linearer oder hierarchischer Aufbau! Manche Hinweise in der Vorlesung gehen weit über die Vorlesung hinaus! Zur Orientierung sind Hilfsmittel notwendig Hilfsmittel selbstständig erschließen: Bücher, Internet, Diskussion mit Kommilitonen...

24 1.3 Literatur Lehrbücher: Gerthsen Demtröder Tipler Halliday Berkeley Physics Course Feynman Lectures kompaktes umfassendes Nachschlagewerk detaillierte Rechnungen ausführliche Einführung ausführliche Einführung ausführliche mathematische Darstellung Theorie ganz anschaulich online books : Motionmountain Christoph Schiller Light and Matter Benjamin Crowell Physik allgemein: The flying Circus of Physics Jearl Walker How Things work... weitere Anregungen während der Vorlesung

25 1.3 Farbkodierung der Vorlesungsfolien Grundkonzepte (nicht mit vollständiger Ableitung Theorie) Theoretischer Überbau (Woher kommt das eigentlich?) und Mathematik Beispiele, die das ganze mit Leben erfüllen Beispiele bilden das phänomenologische Basiswissen Vertiefungsthemen Anwendungen in aktuellen Forschungsprojekten Ausblicke auf künftige Vorlesungen Zusammenfassungen Literaturhinweise

26 1.3 Kein vollständiges Skript! Nur Grundkonzepte mit Hinweisen (Links, Literaturhinweise) auf zusätzliches Material Stichworte zu Beispielen und Ausblickthemen Zusammenfassungen Das Skript ist eine Leitlinie zum selbständigen Erarbeiten Es ersetzt kein Lehrbuch!!!!!! Webpage der Vorlesung:

27 1.3 Fragen Fragen Fragen Sich selbst In der Vorlesung manchmal unmöglich auf alle Fragen einzugehen In den Übungen (dazu sind die da!!!!) Eingangsfrage Frage zum Thema der Vorlesung liegt 5min vor Vorlesungsbeginn auf und wird am Ende der Vorlesung abgefragt Peer Instruction Verständnisfragen in der Vorlesung mit Diskussion Einheit zu jedem Stoffgebiet, 25 min 1mal pro 1.5 Wochen

28 1.3 Problemlösung Problemlösen kann man lernen; Kernkompetenz ( Beruf) Es gibt Strategien zur Lösung von Problemen 1. Problemstellung verstehen Start ist der schwierigste Schritt Visualisieren! (Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte!) Problem qualitativ und quantitativ analysieren Problem und Ziel selbst formulieren! Physikalische Prinzipien zusammentragen 2. Problem gemäß grundlegenden Konzepten darstellen Formalisierung Vereinfachung auf das Wesentliche 3. Planung der Lösung (Mathematik) 4. Bestimmung der Lösung 5. Evaluation der Lösung Interpretation, Konsistenzprüfung

29 1.3 Computereinsatz Computer ist ein wichtiges Hilfsmittel CIP Pool ist voraussichtlich ab Mitte November verfügbar In den Übungen gibt es Pflichtaufgaben, die mittels Rechner bearbeitet werden Benutzung der Programme auch in der Vorlesung

30 1.3 Was bedeutet erfolgreiche Teilnahme Übungen: Alle zwei Wochen Frontalübung Alle grundlegenden Aufgaben des Übungsblattes müssen bearbeitet und zur Korrektur abgegeben werden Alle zwei Wochen Kleingruppenübungen Anwesenheitspflicht 4-5 von 5-6 Aufgaben müssen so vorbereitet werden, dass sie vorgerechnet werden können Klausur: fragt Rezepte und Verständnis ab!

31 1.3 Arbeitseinteilung

32 1.4 Zusammenfassung Was ist Physik? Historische Entwicklung: Versuch: Fallversuch Antike, Ptolemäisches Weltbild Islam, Scholastiker Wurzeln empirischer Wissenschaft Die Kopernikanische Wende Die Neuzeit Theorie und Experiment: Gibt es die Theorie? Erkenntnistheorie und Physik Physik und Wirklichkeit Mechanik und Wärmelehre Was ist Mechanik? Punktmechanik Verallgemeinerte Punktmechanik Gebrauchsanweisung für die Vorlesung Literatur Kein vollständiges Skript! Fragen Fragen Fragen Problemlösung Arbeitseinteilung

33 1.5 Literatur Links zum Ausprobieren: howthingswork.virginia.edu wikipedia.org (open source Lexikon) Wissenschaftsgeschichte www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history Bücher: Geschichte der Astronomie, J. Hamel (Birkhäuser 1998)