Auffrischungskurs Physik-Kurs 20h VHS Jena. Dozent: Silvio Fuchs 22. September 2008

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1 Auffrischungskurs Physik-Kurs 20h VHS Jena Dozent: Silvio Fuchs 22. September

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Physik Grundlegende Arbeitsweise physiklisches Modell physikalische Größen Das SI-Basiseinheiten System Fehlerrechnung systematische Fehler zufällige Fehler Fehlerrechnung Mechanik Modelbildung Größen und Einheiten Kraft-Konzept die 3 newtonschen Axiome Actio gleich Reactio Trägheitsgesetz Grundgesetz der Dynamik gleichförmig geradlinige Bewegung gleichmässig geradlinige beschleunigte Bewegung Zusammenhang der Translationsgrößen Impulse kinetische Energie schiefe Ebene/ Reibungskräfte Federschwinger Thermodynamik 6 4 Elektro-Magnetismus 6 5 Optik 6 2

3 Vorwort:Dieses Skripte wird weiter vervollständigt werden und als Unterstützung des Unterrichtsstoffes dienen. Es erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. 1 Einführung 1.1 Physik Die Physik (physike die Natürliche) ist die grundlegende Naturwissenschaft in dem Sinne, dass die Gesetze der Physik alle Systeme der Natur beschreiben. Die Arbeitsweise der Physik besteht im Allgemeinen in einem Zusammenspiel experimenteller Methoden und theoretischer Modellbildung, welche weitgehend Konzepte der Mathematik verwendet. Physikalische Theorien bewähren sich in der Anwendbarkeit auf Systeme der Natur, indem sie bei Kenntnis von Anfangszuständen derselben möglichst genaue Vorhersagen über resultierende Endzustände erlauben. Physikalische Fortschritte bestehen in der Bereitstellung von Theorien und Hilfsmitteln, die auf zusätzliche Systeme anwendbar sind, genauere Beschreibungen ermöglichen, eine Vereinfachung des theoretischen Apparats erlauben oder praktische Anwendungen ermöglichen und erleichtern. Alle naturwissenschaftlich erforschbaren Prozesse beruhen auf physikalischen Prozessen. In unterschiedlichem Maße sind neben den übrigen Naturwissenschaften auch angewandte Wissenschaften wie die Medizin oder Gebiete der Ingenieurswissenschaft bzw. Technik von der Physik abhängig. Die Rekonstruktion der Arbeitsweise der Physik ist ein Gegenstand der Wissenschaftstheorie; Analysen über die Aussagereichweite naturwissenschaftlicher Erkenntnis im Allgemeinen diskutiert die sich mit ersterer überschneidende Epistemologie, die Interpretation physikalischer Theorien hinsichtlich ihrer Einengung möglicher Strukturbeschreibungen der Realität ist Gegenstand der modernen Naturphilosophie als Teilgebiet der Ontologie. Quelle: Grundlegende Arbeitsweise Die Physik ist eine beschreibende Wissenschaft. Sie beschreibt, mit Hilfe mathematischer Methoden, die Natur um uns herum. Der historische Werdegang eines physikalischen Gesetzes gestaltete sich wie folgt: Die Natur wird beobachtet. Man stellt Fragen an die Natur was dem bekannten Wort Experiment entspricht. Durch Experimentieren lässt sich das Wesen einer bestimmten Naturerscheinung ergründen. Wenn dies Geschehen ist wurde meist versucht die Geschehnisse und Gesetze in mathematische Formeln zu verpacken. Auf die mathematische Form gebracht genießt die Physik ein deduktives vollkommen logisches Grundgerüst. Das so gewonnene mathematisch formulierte physikalische Gesetz kann nun für die Beschreibung der Natur eingesetzt werden. Eine physikalische Theorie entsteht wenn in verschiedenen Experimenten Gemeinsamkeiten gefunden werden und alle Naturerscheinungen auf wenige Grundaxiome (Grundaussagen) zurückzuführen sind. Diese Axiome und Grundaussagen zusammen mit einem mathemaischen Rahmen bildet eine physikalische Theorie. Eine solche Theorie kann richtig oder falsch sein, je nachdem ob sie die Natur richtig oder falsch beschreibt. Eine sinnvolle Theorie ist so lange gut und gültig bis ein Experiment das nicht von ihr erklärt werden kann, sie falsch macht. In der heutigen Zeit ist die theoretische Physik, nicht zuletzt durch den Computer, weit fortgeschritten. Heute werden mit Hilfe der Theorien Vorhersagen getroffen, die durch Experimente belegt werden sollen. Beispielsweise sagte Einstein die Krümmung eines Lichtstrahls der unsere Sonne passiert voraus. Erst Jahre später wurde dies durch ein Experiment bestätigt. 3

4 1.3 physiklisches Modell Ein physikalisches Modell ist eine Abstrahierung der eigentlichen Natur. Es dient um physikalische Gesetze zu finden und diese zu vereinfachen. 1.4 physikalische Größen Eine physikalische Größe ist eine messbare Eigenschaft eines Objektes in der Natur. Spannung oder Temperatur sind solche Größen. Alle pyhisikalischen Größen haben Einheiten. Einheiten werden benötigt damit verschiedene Messungen vergleichbar werden. Was wäre die moderne Physik wenn jedes Bundesland andere Einheuiten für Längen oder Gewicht hätte (Elle, Fuß,...).Ausserdem haben physikalische Größen ein Formelzeichen um sie in mathematischen Ausdr cken zu repräsentieren. (Spannung U, Weg s,...) 1.5 Das SI-Basiseinheiten System Um die physikalische Forschung international vergleichbar zu machen, benötigt man unter anderem ein Standarteinheitensystem, damit alle gemessenen Größen auf der ganzen Welt vergleichbar sind. Dieses Einheitensystem heisst (sehr ausgefallen): internatinales Einheitensystem oder kurz SI-System. Sieben Basiseinheiten sind folgendermaßen für die Grundgrößen bestimmt: Länge Einheit: Meter Zeichen: m 1 Ein Meter ist die Strecke die das Licht im Vakuum während der Dauer von zurücklegt. Masse Einheit: Kilogramm Zeichen: kg Masse des Internationalen Kilogramm Prototyps. Zeit Einheit: Sekunde Zeichen: s Zeiteinheit. Ist die fache Periodendauer des 133 Cs Atoms. elektrische Stromstärke Einheit: Ampere Zeichen: A Stärke des Stromes wenn 2 parallel aufgehängte perfekte unendlich lange Leiter in einem Meter Abstand eine Kraft von Newton aufeinander ausüben. Temperatur Einheit: Kelvin Zeichen: K Die Basiseinheit 1 Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers. Stoffmenge Einheit: Mol Zeichen: mol 1 Mol ist die Stoffmenge eines System, das aus ebensovielen Einzelatomen besteht wie 0,012 Kilogramm des Nuklids 12 C Lichtstärke Einheit: Candela Zeichen: cd monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz mit der Leistung von Watt durch Steradiant beträgt. 4

5 1.6 Fehlerrechnung systematische Fehler zufällige Fehler Fehlerrechnung physikalisches Gesetz: Totales Differential: 2 Mechanik 2.1 Modelbildung 2.2 Größen und Einheiten 2.3 Kraft-Konzept 2.4 die 3 newtonschen Axiome Actio gleich Reactio f = f(x, y, z) f = f x x + f y y + f z z Die von einem Massenpunkt (eines Köpers) auf einen zweiten Massenpunkt (des gleichen oder eines anderen Körpers) ausgeübte Kraft F 21 ist gleich gro und entgegengesetzt der Kraft F 12, die der zweite Massenpunkt auf den ersten Massenpunkt ausübt Trägheitsgesetz Jeder Körper beharrt im Zustand der Ruhe oder gleichförmig geradlinigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird diesen Zustand zu ändern Grundgesetz der Dynamik Die auf einen Massenpunkt (eines Körpers) wirkende Kraft ist gleich dem Produkt aus Masse und Beschleunigung des Massen punkts. F = m a 5

6 2.5 gleichförmig geradlinige Bewegung 2.6 gleichmässig geradlinige beschleunigte Bewegung 2.7 Zusammenhang der Translationsgrößen 2.8 Wurfbewegungen freier Fall schräger Wurf 2.9 Rotation konstante Bahngeschwindigkeit (gleichförmige Rotation) konstante Bahnbeschleunigung(gleichmäßig beschleunigte Rotation) Zusammenhang zu den Gesetzen der geradlinigen Bewegung Radialkraft 2.10 Impulse / Impulserhaltungssatz 2.11 kinetische Energie 2.12 schiefe Ebene / Reibungskräfte 2.13 Federschwinger 3 Thermodynamik 4 Elektro-Magnetismus 5 Optik 6