Einführung in die Experimentalphysik für Pharmazeuten

Transkript

1 Einführung in die Experimentalphysik für Pharmazeuten Prof. Joachim Rädler Gunnar Spiess Dr. Doris Heinrich (Übungen) (Experimentelle Vorlesungsbegleitung) Vorlesung: Montags bis 12.45, Liebig HS Übung : Montags bis 11.00, Liebig HS Klausur: am 23. Juli von bis Web-Seite zur Vorlesung :

2 Physik-Praktikum Dr. Karsten Jessen Schellingstr.4 J. Rädler Lehrstuhl für Experimental Physik Geschwister Scholl-Platz 1 Tel.:

3 Inhalt der Vorlesung: Mechanik Bewegungen, Kräfte, Impuls, Energie, Hydrostatik, Hydrodynamik Schwingungen und Wellen, Akustik Wärmelehre Temperatur, Wärme, Aggregatzustände, Wärmeleitung Elektrizitätslehre : Elektrostatik und Elektrodynamik Ladungen, Felder, Potentiale, Spannung, Strom, Magnetismus, Induktion, Wechselströme Elektromagnetische Wellen Optik Strahlenoptik, Wellenoptik, Röntgenstrahlung, Laser Aufbau der Materie Atomphysik, Kernphysik, Festkörper

4 Literatur: 430 Seiten, ca. 30 Euro 720 Seiten, ca. 54 Euro

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6 Die wichtigsten methodischen Entwicklungen in der Bioanalytik Physik liegt vielen analytischen Techniken zugrunde Quelle : Lottspeich & Zorbas

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8 Zur Methode der Physik 1. Empirische Wissenschaft stellt Fragen an die Natur => Experimente 2. Exakte Wissenschaft Beschreibung der Natur mit Hilfe der Mathematik

9 "Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosopie"" Newtonsche Mechanik : Erste moderne Theorie Theorie Hypothese Experiment Erkenntnis Galilei: einer der ersten modernen Experimentatoren

10 Konkurrenz der Weltbilder (Theorien) jede der abgebildeten Theorien hatte den Anspruch den Lauf der Planeten korrekt zu beschreiben und vorhersagen zu können grafischen Darstellung von 1750

11 Physikalische Größen, Einheiten Eigenschaften, Zustände oder Vorgänge die messbar sind, bezeichnet man als physikalische Größen Physikalische Größe = Maßzahl * Maßeinheit Länge [m] Zeit [s] Geschwindigkeit[m/s] Kraft [N] m:meter s:sekunde N:Newton Dimension : Beschreibung einer physikalischen Größe in ihren Basisgrößen Beispiel: Geschwindigkeit = Länge Zeit (Die Dimension ist unabhängig von der Wahl der Einheiten)

12 Die Basiseinheiten (SI-Einheiten) SI: système international d unités

13 Einheit der Länge Das Urmeter von 1876 Seit 1983 ist die Lichtgeschwindigkeit auf c 0 = m/s festgelegt. Relative Unsicherheit 10-14

14 Größenordnungen in der Physik 10 n Logarithmische Skala

15 Vorsilben (SI - Vorsätze) zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen

16 HIV Virus Box mit Molekülen (maßstabsgetreu) Zur Anzeige wird der QuickTime Bakterium Dekompressor TIFF (LZW) Bakterien-Phage benötigt. Goodsell, 1993

17 1 Millimeter 1 Mikrometer 1 Nanometer 100µm 10µm 100nm 10nm Mikroelektronik Chemie 0,1nm Physik: Top-Down Nanowissenschaft Chemie: Bottom-Up Nanowissenschaft ist interdisziplinšr

18 Der Nano-Kosmos in unsere Welt skaliert Atome 1 cm 0,2 nm 1m Proteine 25 nm 40 m E.coli 1µm

19 TM Virus a) Kohlenstoff b) Zucker c) ATP d) Chlorophyll e) trna f) Antikörper g) Ribosome h) Poliovirus i) Myosin j) DNA k) F-actin l) Enzyme m) Pyruvat dehydrogenase Virus Phage Moleküle Bakterium 1µm 1nm 3 Größenordnungen Goodsell, 1993

20 Einheit der Zeit Früher : 1sec=1/86400 Tag Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch. Relative Unsicherheit 10-14

21 Oszilloskop

22 Zeitenskalen sec Alter des Universums Alter der Erde 10 9 Erste Menschen / alter der Pyramiden Jahr = 3, s, 1 Tag 8, s 10 3 Zeit die Licht von der Sonne zur Erde benötigt 1 Abstand zwischen Herzschlägen 10-3 Periode einer Schallwelle 10-6 Periode einer Radiowelle 10-9 Licht legt 30cm zurück Periode einer Molekülschwingung Periode einer Atomschwingung Licht legt Atomdurchmesser zurück Periode einer Kernschwingung Licht legt Kerndurchmesser zurück

23 Einheit der Masse Das Urkilogramm Relative Unsicherheit 10-9

24 Stoffmengeneinheit Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012kg des Kohlenstoffnuklids 12 C enthalten sind. Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist die Avogadro-Konstante N A = 6, /mol n = N N A N : Teilchenzahl [einheitenlos] n : Stoffmenge [mol] In der Atomphysik und Chemie werden auch Atommasseneinheiten benutzt. Dem Isotop 12 C wird die Atommassezahl 12 zugeordnet Atomare Masseneinheit (amu) =u= 1 12 m 12 C ( )= 10 3 kg N A mol =1, kg

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26 Messgenauigkeit und Messfehler 1. systematische Fehler : z.b. durch Messapparatur bedingt 2. statistische Fehler Messreihe Messung t i [s] Arithmetisches Mittel Mittleres Schwankungsquadrat der Einzelmessung (Varianz) x = σ 2 = 1 N N i= 1 x i 1 N N 1 i= 1 ( ) 2 x i x Mittler Fehler des arithmetischen Mittels σ M = N 1 ( N 1) N i= 1 ( ) 2 x x i

27 Messreihe : i x i arithmetischer 1 x = 5 Mittelwert ( ) 14, = Standardabweichung der Einzelmessung σ x = {( ) ( ) ( ) ( ) ( ) } ,2 + 4, , , ,6 + = 4, 5 Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts σ σ x 4,5 M = = = 2,25 N 5 x =14,2 ± 2, 25

28 Grafische Darstellung der Messreihe x ± σ M 20 x i ±σ

29 Zur Natur der Messfehler Wie nah sind wir dem "wahren" Wert? Quelle : Demtröder

30 MECHANIK Bewegungslehre (Kinematik) Gleichförmige Bewegung Beschleunigte Bewegung Kräfte

31 Geschwindigkeit Geschwindigkeit v ist das Verhältnis des zurückgelegten Weges s zur dazu benötigten Zeit, t. s[m] s[m] t s t[s] t[s] v = s t = 10 2 m s = 5 m s v = lim t 0 s t = ds dt Die Geschwindigkeit ist die Ableitung des Ortes nach der Zeit

32 Die Beschleunigung Die Änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit nennt man Beschleunigung. v[m/s] Auch die Beschleunigung ist ein Vektor. r v r a = lim t 0 t = d r v m dt s 2 a dv dt = und v = ds dt a = d 2 s dt t[s]

33 a [ m ] s 2 Die gleichförmig beschleunigte Bewegung a a ( t ) = a v [ m s ] t[ s] v ( t ) = t 0 a dt v ( t ) = a t + v 0 s v 0 [ m ] s 0 t t [ s] [ s] t ( a t ) s ( t ) = + v 0 dt a s ( t ) = t + v 0 t s 0 0

34 In der Natur vorkommende Geschwindigkeiten Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) : m / s Schallgeschwindigkeit : m / s Wasserstoff bei T=300K (im Mittel) : m / s Elektronen in der Fernsehröhre : m / s Schuss aus einer Gaspistole :?