2 Was ist Physik?? Film: aviflash: Was ist Physik

Transkript

1 Physik 1

2 2 Was ist Physik?? Film: aviflash: Was ist Physik

3 3 Einige Fragen? Wie entsteht ein Regenbogen? Wie kann man ihn selbst erzeugen? Warum haben Dinge Farben? Warum ist z.b. das Gras grün und der Himmel blau? Kann man ein Ding immer weiter zerteilen oder gibt es irgendwann kleinste Teile? Wie funktioniert ein Fotoapparat? Wie kann ich mir einen selbst basteln? Warum fallen alle Dinge zu Boden? Kann man das irgendwie verhindern? Wie überlebt eine Astronautin im Weltall? Wie fühlt sich Schwerelosigkeit an?

4 4 weiter Wie kann ich mich vor Strahlung schützen? Ist jede Strahlung gefährlich? Wenn alle Dinge zu Boden fallen, warum fällt der Mond nicht auf die Erde? Wenn alle Dinge zu Boden fallen, warum fällt der Mond nicht auf die Erde? Wie kann ich Energie sparen? Warum ist das für unsere Umwelt wichtig? Warum kann man auf dem Mond nichts hören? Warum schwimmen manche Materialien, wenn man sie ins Wasser wirft?

5 5 weiter Kann man ein Ding beliebig schnell machen? Wie kann man Dinge abkühlen und ist das bis zu beliebig tiefen Temperaturen möglich? Wie entstehen Wolken und wie kann man das Wetter vorhersagen? Wie funktionieren Akkus, also Batterien, die man wiederaufladen kann, und warum sind sie umweltfreundlicher?

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11 Teilgebiete - Anwendungen

12 Postkarte mit den Gesetzen der klassischen Physik Einführung in Physik 6. Klasse

13 Themengebiete Physik 13 Mechanik Thermodynamik Elektrodynamik Optik Atomphysik und Quantenmechanik

14 14 Methodik der Naturwissenschaften Griechisch: physis = Natur(ordnung) physike episteme = Wissenschaft von der Natur Die Physik war ursprünglich die Lehre aller Naturerscheinungen Seit Mitte des 18. Jahrhunderts ist sie Teilgebiet der Naturwissenschaften, wobei die Lebenswissenschaften ausgeschlossen wurden. Dennoch gibt es heutzutage eine verstärkte Kooperation zwischen Physik und anderen Wissenschaften Biophysik, Medizinphysik, Umweltphysik, Astrophysik Definition der Physik (aus Brockhaus Enzyklopädie (19. Auflage)) : Die Physik ist die Lehre von solchen Naturvorgängen, die experimenteller Erforschung, messender Erfassung und mathematischer Darstellung zugänglich sind und allgemeingültigen Gesetzen unterliegen.

15 15 Womit beschäftigt sich Physik? Wie arbeitet Physik? Wechselspiel Theorie-Experiment Wer betreibt Physik Wo wird Physik betrieben? Wozu Physik? Antworten: Physik macht Spaß, kann spannend und interessant sein. Sie befriedigt Wissensdurst; Sie bringt "sichere" Erkenntnis Ihre Ergebnisse erleichtern unser Leben; Sie ist ein gewaltiger Wirtschaftsfaktor, viele Menschen leben davon. Sie ist ein wesentlicher Teil unserer Kultur und Zivilisation.

16 Physik ist die Naturwissenschaft, die sich mit den Grundbausteinen der uns umgebenden Welt und deren gegenseitigen Wechselwirkungen beschäftigt. Ziel der physikalischen Forschung ist ein grundlegendes Verständnis auch komplexer Naturvorgänge und ihre Zurückführung auf einfache Gesetzmäßigkeit Quantifizierbarkeit Voraussagbarkeit Physik sucht in der Vielfalt der Naturerscheinungen nach Gesetzmäßigkeiten und Zusammenhängen, um die beobachteten Phänomene durch wenige Grundprinzipien zu beschreiben.

17 17 Wir arbeiten heute in der Regel nicht mehr an vom Beobachter unbeeinflussbaren Naturerscheinungen (sehen wir ab von Astronomie etc.), sondern an kontrollierbaren, wiederholbaren, überprüfbaren Vorgängen, wie Galileis Untersuchung des freien Falles. Die Wichtigkeit eines physikalischen Experiments liegt darin, dass der Experimentator die Bedingungen, unter denen der Versuch abläuft, weitgehend bestimmen kann. Es ist also die "gezielte Frage an die Natur, eine eindeutige Antwort bei geeigneter experimenteller Anordnung zu erhalten". Wir versuchen, daraus eine Gesetzmäßigkeit aufzustellen, ein physikalisches Gesetz, das messbare Größen und Begriffe miteinander verknüpft. Die Schreibweise ist üblicherweise eine mathematische Gleichung.

18 Die geschichtliche Entwicklung der Physik lässt sich in drei große Perioden unterteilen: Antike Naturphilosophie Beobachtungen verknüpft mit philosophischen Betrachtungen, aber Entmythologisierung der Naturerscheinungen Aristoteles v.chr.; Thales von Milet v. Chr.; Anaximander v. Chr. ; Pythagoras Vier Grundstoffe: Feuer, Wasser, Luft und Erde Klassische Physik Galilei ( ) als erster Physiker, der versuchte, physikalische Hypothesen durch gezielte Experimente zu untermauern. Isaac Newton ( ) brachte die Mathematik in die Physik. 18./19. Jahrhundert: Große Namen wie Boyle, Mariotte, Kelvin, Snellius, Huygens, Coulomb, Faraday, Maxwell, Hertz, Boltzmann, Röntgen Moderne Physik Seit Beginn des 20. Jahrhunderts neue Ära der Physik durch Planck über Einstein, Bohr, Schrödinger und Heisenberg. Vollkommen neues Bild der Atome, Kerne und Elementarteilchen.

19 Beziehung der Physik zu Nachbarwissenschaften Chemie (Quantentheorie Periodensystem) Technik (Halbleiterphysik Transistor) Biologie (Röntgenbeugung DNS-Struktur) Medizin (Kernresonanz Kernspintomogra ph) Geologie (Thermodynami k Geysire)

20 20 Methoden der Physik Physik Quantitative Lehre der Naturphänomene Grundlegende Fragen: Aufbau der Welt aus Grundbausteinen Struktur der Materie Struktur der Kraftfelder Struktur von Raum und Zeit Wechselwirkung der Grundbausteine Naturgesetze

21 Physik Quantitative Lehre der Naturphänomene 21 Forschungsziele: a) Reduktion komplizierter Phänomene auf möglichst wenige fundamentale Naturgesetze b) Konstruktion effektiver makroskopischer Gesetze zur Beschreibung komplexer Systeme (aus typisch Bausteinen)

22 Physik Quantitative Lehre der Naturphänomene 22 Wesentliche Elemente der Physik: Theorie Modell Experiment Mathematisches Konzept, das im Prinzip eine Klasse von Naturphänomenen vollständig beschreibt Vereinfachte Beschreibung komplexer Systeme durch andere physikalische Objekte/Prozesse Einzige zulässige Methode zum Test bzw. zur Falsifizierung von Theorien/Modellen

23 Vorhersagen Physikalischer Erkenntnisprozess 23 stark vereinfacht Beobachtung Messung/ Experiment Modell/ Theorie Physikalische Zusammenhänge/ Verallgemeinerung

24 Merksatz Die Physik befasst sich mit der Erforschung der Naturgesetze und der Beschreibung der Naturerscheinungen mit Hilfe dieser Gesetze im Bereich der unbelebten Natur. Einführung in Physik 6. Klasse

25 Die naturwissenschaftliche Methode: Experimente: Naturvorgänge sind oft kompliziert und schwer beobachtbar (z.b. Untersuchung von Blitzen) Beim Experiment lassen sich die einzelnen Größen leichter messen. Experimente können jederzeit (??) wiederholt werden. Das Experiment stellt eine Frage an die Natur. Antwort in Form von Messergebnissen.

26 Sprache der Physik: Mathematik Zwei wichtige Vorgangsweisen: a) Aus Ergebnissen eines Experiments ( Messreihen) wird ein physikalisches Gesetz hergeleitet. d. h. Aus Einzelbeobachtungen allgemeingültiges Gesetz. Induktives Verfahren. z. B. Ohmsches Gesetz, Fallgesetz

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28 b) Intuition: Nicht alles wurde schon beobachtet. Hypothese: (unbewiesene Annahme) wird an den Anfang gestellt. Mit Hilfe mathematischer Methoden wird daraus eine Theorie entwickelt, die das Naturgeschehen beschreibt und begründet. Bereits Erwiesenes darf dadurch nicht falsch werden. Deduktives Verfahren. Nachweis der Theorie durch Experimente. Voraussagen müssen möglich sein.

29 Einführung in Physik 6. Klasse

30 30 Beobachtung Theorie Experiment

31 Wilhelm Conrad Röntgen * 27. März Februar 1923 Nobelpreis

32 1. Lässt man durch eine Hittorfsche Vacuumröhre, oder einen genügend evacuirten Lenard schen, Crookes schen oder ähnlichen Apparat die Entladungen eines grösseren Ruhmkoff s gehen und bedeckt die Röhre mit einem ziemlich eng anliegenden Mantel aus dünnem, schwarzem Carton, so sieht man in dem vollständig verdunkelten Zimmer einen in die Nähe des Apparates gebrachten, mit Bariumplatincyanur angestrichenen Papierschirm bei jeder Entladung hell aufleuchten, fluoresciren, gleichgültig ob die angestrichene oder die andere Seite des Schirmes dem Entladungsapparat zugewendet ist. Die Fluorescenz ist noch in 2 m Entfernung von Apparat bemerkbar. Man überzeugt sich leicht. dass die Ursache der Fluorescenz vom Entladungsapparat und von keiner anderen Stelle der Leitung ausgeht. 2. Das an dieser Erscheinung zunächst Auffallende ist, dass durch die schwarze Cartonhülse, welche keine sichtbaren oder ultravioletten Strahlen des Sonnen- oder des elektrischen Bogenlichtes durchlässt, ein Agens hindurchgeht, das im Stande ist, lebhafte Fluorescenz zu erzeugen, und man wird deshalb wohl zuerst untersuchen, ob auch andere Körper diese Eigenschaft besitzen. Man findet bald, dass alle Körper für dasselbe durchlässig sind, aber in sehr verschiedenem Grade. Einige Beispiele führe ich an. Papier ist sehr durchlässig: 1 hinter einem eingebundenen Buch von ca Seiten sah ich den Fluorescenzschirm noch deutlich leuchten; die Druckerschwärze bietet kein merkliches Hindernis. Ebenso zeigte sich Fluorescenz hinter einem doppelten Whistspiel; eine einzelne Karte zwischen Apparat 32 1) Mit Durchlässigkeit eines Körpers bezeichne ich das Verhältniss der Helligkeit eines dicht hinter dem Körper gehaltenen Fluorescenzschirmes zu derjenigen Helligkeit des Schirmes, welcher dieser unter denselben Verhältnissen aber ohne Zwischenschaltung des Körpers zeigt.

33 Physik (1914) Max Felix Theodor von Laue (deutscher Physiker) * Pfaffendorf bei Koblenz, Berlin Entdeckung der Röntgenstrahl-Interferenzen in Kristallen. 33

34 Vier Monate nach der Entdeckung Röntgens, der neuen Art der Strahlen, entdeckte der Physiker Antoine Henri Becquerel ( Paris Le Croisic; Loire Atlantique), die Radioaktivität (Becquerel-Strahlen). 34 Antoine Henri Becquerel Antoine Henri Becquerel machte Experimente mit fluoreszierendem Material, welches er mit leichtem Druck auf eine eingewickelte fotographische Platte gab. Dieses stellte er in das Sonnenlicht um die Fluoreszenz in dem Material anzuregen und auf der fotographischen Platte ein Belichtung durch die durchdringende Strahlung zu finden. Eines dieser fluoreszierenden Materialien welche Becquerel einsetzte, waren Uranmineralien (US 2 ). Während einer Periode von schlechtem Wetter in Paris wollte Bequerel seine Experimente nicht verschieben und legte das Uranmineral auf eine fotographische Platte. Dabei legte er ein Metallkreuz zwischen das Uranmineral und die fotographische Platte und ließ dieses mehrere Tage ohne Einwirkung von Sonnenlicht liegen.

35 Beim Entwickeln der fotographischen Platte beobachte Becquerel am 2. März 1896 darauf die Abbildung des Metallkreuzes. Damit konnte er nachweisen, dass Uranminerale eine permanente Strahlung aussenden, radioaktiv also selbststrahlend sind, ohne dabei einer anderen Form von Strahlung oder Sonnenstrahlen ausgesetzt zu sein und demonstrierte, dass Fluoreszenz oder Phosphoreszenz keine Strahlung erzeugt. Weitere Experimente von Becquerel im März 1896 zeigten, dass alle Uranminerale die er hatte, mit oder ohne Fluoreszenz, eine permanente Strahlung abgaben. Durch diese Beobachtung Becquerels wurde das Uran-Pecherz aus Joachimsthal und andere Mineralien auf die Ursache der natürlichen radioktiven Strahlung untersucht. Fast gleichzeitig entdeckten Gerhard Carl Nathaniel Schmidt ( ) mit Marie Curie, geb. Sklodowska ( Warschau Sancellemoz/Schweiz) 1898 die Radioaktivität des Thoriums. Pierre Curie ( Paris Paris) und Marie Curie entdeckten die besonders stark radioaktiven Elemente Polonium und Radium. André Louis Debierne ( Paris Paris) fand 1899 in den Uran-Pechblende Rückständen das Actinium. Antoine Henri Becquerel, Marie und Pierre Curie erhielten 1903 den Nobelpreis der Physik für die Entdeckung der natürlichen Radioaktivität, bzw. ihren Marie Curie Pierre Curie gemeinsamen Forschungen über die von Becquerel entdeckten Strahlen (Radioaktivität). Marie Curie erhielt 1911 den Nobelpreis der Chemie für die Entdeckung der Elemente Radium und Polonium, sowie der Isolierung und Charakterisierung des Radiums und deren Verbindungen. 35

36 36 Marie Curie Pierre Curie

37 Strukturierung der Welt Parameter [m] Leptonen, Quarks Proton Wasserstoffatom Grippevirus 10-7 Zellen 10-6 Regentropfen 10-3 Mensch (Größe) 10 0 Kilometer 10 3 Erddurchmesser 10 7 Entfernung Erde-Mond 10 9 Entfernung Sonne-Erde Durchmesser des Sonnensystems Entfernung zum nächsten Stern Durchmesser der Milchstraße Galaxienhaufen Entfernung zum Rand des beobachtbaren Universums Einheitliche Beschreibung durch Längeneinheit m ist unhandlich! dezimale Vorsätze 37

38 Begriff: "Unterschied um eine Größenordnung" = Faktor 10 Unterschied 38

39 10-20 m m 10 0 m m m m 39 Elektronen Quarks

40 m m 10 0 m m m m Quantenmechanik Quantenfeldtheorien QED QFD QCD Mechanik, Thermodynamik, Elektrodynamik Allg. Relativitätstheorie, Kosmologie

41 Messgeräte Objektive Experimente 41

42 Messgeräte Objektive Experimente 42

43 Messgeräte Objektive Experimente 43

44 Messgeräte Objektive Experimente 44

45 Messgeräte Objektive Experimente 45

46 Messgeräte Objektive Experimente 46

47 Beobachtung? 47

48 1.3. Maßsysteme 48 Physikalische Größe Zahl + (Maß)-Einheit Einheit willkürlich: Armlänge, Äquatorlänge,... fixiert durch Normale natürlich: Wellenlänge von Spektrallinien,... fixiert durch Naturgesetze Maßsystem Menge von Grundgrößen mit Einheiten Grundgrößen Basisgrößen (Definition willkürlich / natürlich) Reduzible Größen (Zurückführbar auf Basisgrößen)

49 49 Das SI-System ( Système International d Unités ) Grundgröße Einheit Abkürzung Länge Meter m Zeit Sekunde s Masse Kilogramm kg MKS-System ( Mechanik ) Temperatur Kelvin K Elektrischer Strom Ampere A Lichtstärke Candela Cd Substanzmenge Mol mol Zurückführbar auf MKS

50 Das CGS-System (Wissenschaft) 50 Grundgröße Einheit Abkürzung Länge Zentimeter cm Zeit Sekunde s Masse Gramm g Temperatur Kelvin K Elektrische Ladung Electrostatic Unit esu Lichtstärke Candela Cd Substanzmenge Mol mol Nach internationaler Vereinbarung nicht mehr gebräuchlich... Jedoch: Besonders in der Theorie beliebt (weniger Konstanten-Faktoren)

51 Physikalische Größen/Einheiten 51 Ergebnis einer Messung: physikalische Größe (z.b. Zahl bei Zählung) Physikalische Größen (z.b. Länge, Zeit, Masse, Ladung etc.) werden beschrieben durch: Größe= Zahlenwert Einheit Angabe der Maßeinheit ist notwendig! Einheiten: Konventionen! z.b. Länge: Meter, Fuß, Elle, Meile, Yard...

52 Physikalische Größen/Einheiten 52 Heute: Verwendung des SI-System SI (Système International d Unités)

53 Abgeleitete Größen 53 mathematische Kombination von Grundgrößen Dimension: Maßeinheit der abgeleiteten Größe Beispiel: Geschwindigkeit v = d(länge)/d(zeit) = dx/dt Dimension: v dx dt m s ms -1 Konsistenztests von Gleichungen: Haben alle Summanden die gleiche Dimension? Haben beide Seiten der Gleichung die gleiche Dimension?

54 Präfix von Dimensionen 54 Kurzbezeichnung von Größenordnungen, z.b. Präfix Symbol Faktor Präfix Symbol Faktor Exa E Peta P Tera T Giga G 10 9 Mega M 10 6 kilo k 10 3 atto a femto f pico p nano n 10-9 mikro μ 10-6 milli m 10-3 deci d 10-1 centi c 10-2

55 55 Einheiten genaue Messung der Größen erforderlich Mess- und Eichlaboratorien (z.b. die Physikalisch Technische Bundesanstalt)

56 Definition der Grundgrößen a) Zeitmessung: Nicht exakt konstant 56 Alte Einheiten (willkürlich): Sonnentag; Sterntag Erdrotation; 1/86400 ste Teil eines mittleren Sonnentages Moderne (natürliche) Einheit: Cäsium-Atomuhr (Eigenschaft von Atomen immer gleich) 1 s ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133 Cs entsprechenden Strahlung.

57 Zeitbereiche: s (Lebensdauer der instabilsten Elementarteilchen) bis s (Alter des Universums) Messgeräte: Uhren Wichtigste Bestandteile einer Uhr: Periodischer Vorgang Antrieb Rückkopplung Pendeluhr: Periodischer Vorgang: Pendelschwingung Antrieb: Uhrgewicht Rückkopplung: mechanisch Anker Atomuhr: Genauigkeit: Δt = s Je höher die Frequenz einer Uhr ist, desto genauer ist sie.

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62 St. Sebaldus Nürnberg

63 1656 Christian Huygens

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66 Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig

67 Einführung in Physik 6. Klasse UTC ( koordinierte Weltzeit) TAI (internationale Atomzeit)

68 22. Juni 1799 Sevres bei Paris aus Platin-Iridium

69 b) Längenmessung: 69 Alte Einheiten (willkürlich): Normalmeter (Platin-Iridium-Stab unter definierten Umweltbedingungen); Urmetermaßstab (1/ Teil Erdmeridianquadranten) Später: Das ,73 fache der Wellenlänge der orangenfarbenen Spaktrallinie des Isotops 86 Kr Moderne (natürliche) Einheit: mittels Lichtgeschwindigkeit Definition: 1 Meter ist die Strecke, die Licht im Vakuum in der Zeitspanne Δt = 1/ s zurücklegt. Schieblehre mit Nonius Mikrometerschraube

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72 Messgeräte: mechanische Längenmessung: Maßband, Maßstab (1-10m; l=1cm) Schublehre (10 cm; l=0,1mm) Noniusskala Hauptskala Nonius: 10 Skalenteile der Noniusskala decken sich mit 9 Skalenteilen der Hauptskala.

73 Nonius

74 Mikrometerschraube: Messgenauigkeit: Δl = 0,01 mm Lies ab!

75 Größere Distanzen Trigonometrische Längenbestimmung: Abstecken einer Standlinie. Messen von Winkeln mit dem Theodolith. Berechnen mit Hilfe trigonometr. Funktionen.

76 Größere Distanzen: Laufzeitmessungen (z. B. Radar, Infrarot, Ultraschall) Grundlage: Lichtgeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit

77 Aufgabe: Miss die Dicke eines Blatts mit einer Schublehre! Fertige ein Protokoll dazu an! Gib dazu den relativen Fehler an: Relativer Fehler = l l

78 78 c) Weitere Einheiten: Das Kilogramm Das Kilogramm ist die Einheit der Masse; es ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps. Das Ampere Das Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je einem Meter Leiterlänge die Kraft Newton hervorrufen würde. Das Kelvin Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers.

79 Das Mol Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensoviel Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoffnuklids 12 C enthalten sind. Bei Benutzung des Mol müssen die Einzelteilchen spezifiziert sein und können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen sowie andere Teilchen oder Gruppen solcher Teilchen genau angegebener Zusammensetzung sein. 79 Die Candela Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung (1/683) Watt durch Steradiant beträgt.

80 Die Masse Sie ist ein Maß für träge und schwere Eigenschaften eines Körpers. (später Erklärung) 1kg ist so schwer wie das Pariser Urkilogramm. [m] = kg Basisgröße Sollte gleich der Masse von 1dm 3 Wasser bei 4 C sein. (Wasser ist etwas leichter (0,028 g ) Massenbereiche: kg (Elektronenmasse) bis kg (Milchstraße) Messgeräte: Waagen Massensatz (1,2,5) zum Vergleichen.

81 81 Messgeräte Masse Waagen: Balkenwaage, Brückenwaage, elektronische Waage, Briefwaage

82 Balkenwaage Sie vergleicht die Masse des Körpers mit Massestücken von einem Massensatz. Massensatz Vergleiche auch mit einer elektronischen Waage! Miss zuerst die Masse von verschiedenen Körpern, dann deren Volumen!

83 Naturkonstanten! 83

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85 Messgrößen 85 Skalare und vektorielle Größen Skalare: Werden durch Zahlenwert und Einheit beschrieben z.b. Länge, Ladung Vektoren: Beschrieben durch Zahlenwert (Betrag), Einheit und Richtung v z.b. Geschwindigkeit Betrag (Länge): v=30m/s=108km/h v v (v Wichtig: Vektoren können verschieden dargestellt werden! z.b. Kartesische Koordinaten, Polarkoordinaten - oder auch verschiedene Bezugssysteme... x v,v 2 x y,v v z 2 y ) v 2 z v

86 Messgenauigkeit und Messfehler 86 Messung = Messwert x Fehler Beispiel Gaußfehler: 68,3% der Messungen innerhalb der Abweichung 31,7% liegen außerhalb!!! Fehlertypen: statistisch / systematisch

87 Statistische (bzw. zufällige) Fehler: 87 Auflösung der Apparatur / Skala Statistische Fluktuation ( z.b. Zerfallsrate ) Rauschen... Messungen: x 1, x 2,..., x n jeweils mit Fehler ±σ Mittelwert: x 1 n n k 1 x k Statistische Fehler sind durch Wiederholung der Messung beliebig reduzierbar

88 Systematische Fehler: 88 Falscher Nullpunkt der Apparatur Fehlkalibration der Skala Unsicherheiten in Korrektur von Störeffekten... Systematische Fehler sind i.a. nicht durch Wiederholung der Messung reduzierbar