Kap. 1 Einführung. M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 1

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1 Kap. 1 Einführung 1. Methoden der Physik 2. Physikalisches Weldbild und Disziplinen 3. Grundgrößen der Physik 4. Maßsysteme und Grundgrößen der Physik 5. Koordinatensysteme 6. Messgenauigkeit und Messfehler M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 1

2 1.1. 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 M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 2

3 Physik Forschungsziele: 1.1. Methoden der Physik a)reduktion komplizierter Phänomene auf möglichst wenige fundamentale Naturgesetze b)konstruktion effektiver makroskopischer Gesetze zur Beschreibung komplexer Systeme (aus typisch Bausteinen) Sprache: Quantitative Lehre der Naturphänomene Mathematische Formeln Elementarteilchenphysik Quantenfeldtheorie... Statistische Physik Festkörperphysik Chaos und Struktur... M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 3

4 Physik 1.1. Methoden der Physik Wesentliche Elemente der Physik: Quantitative Lehre der Naturphänomene Theorie Mathematisches Konzept, das im Prinzip eine Klasse von Naturphänomenen vollständig beschreibt Modell Vereinfachte Beschreibung komplexer Systeme durch andere physikalische Objekte/Prozesse Experiment Einzige zulässige Methode zum Test bzw. zur Falsifizierung von Theorien/Modellen M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 4

5 1.2. Das Physikalische Experiment Präparierung reiner (oft einfacher) Systeme kontrollierte Eliminierung von Störeinflüssen Beispiel: Reibung Ermittlung charakteristischer physikalischer Größen Zahlen mit Maßeinheiten Korrektur verbleibender Störeinflüsse Quantifizierung der Messgenauigkeit Messfehler Praktikum Vergleich mit Theorie / Modell M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 5

6 1.2. Messgeräte Objektive Experimente M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 6

7 1.2. Messgeräte Objektive Experimente M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 7

8 1.2. Messgeräte Objektive Experimente M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 8

9 1.2. Messgeräte Objektive Experimente M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 9

10 Altertum: 1.2. Physikalische Disziplinen Pythagoras ( v.chr.): Mathematische Methoden Aristoteles ( v.chr.): Naturphilosophie Neuzeit (ab ca n.chr. ): Galilei ( ): Einführung des Experiments Newton ( ): Synthese Physik / Mathematik 1687: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica Newtonsche Mechanik Blüte der Experimentalphysik: Struktur der Materie, Optik, Elektrizität, Magnetismus, Thermodynamik, statistische Physik Maxwell ( ): Vereinheitlichte Theorie von Elektrizität + Magnetismus + Optik M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 10

11 1.2. Physikalische Disziplinen Moderne Physik (ab ca n.chr. ): Relativitätstheorie (Einstein) Quantentheorie (Planck, Schrödinger, Heisenberg,... ) Atomphysik (Bohr, Sommerfeld,... ) Kernphysik (Rutherford,... ) Elementarteilchenphysik (Pauli, Dirac, Glashow, Salam, Weinberg,... ) M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 11

12 Chemie Biologie / Biophysik 1.2. Ausstrahlung in andere Disziplinen Angewandte Quantenphysik : Molekülstrukturen, chemische Bindung, Reaktionsdynamik,... Strukturanalyse (Mikroskopie, Röntgenbeugung, freie Elektronenlaser,... ) Zelluläre Transportphänomene... Medizin Röntgentechnik, Tumorbestrahlung, Kernspin-Tomographie, PET, Synchrotronstrahlung und Angiographie,... Astronomie, Geophysik, Meteorologie, Umweltschutz alternative Energien, Nachrichtentechnik, Computertechnologie, neue Materialien, Elektronik, etc. etc. etc. Naturphilosophie und Ethik M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 12

13 Physikalische Größe 1.3. Massysteme und Grundgrößen Zahl + (Maß)-Einheit Einheit willkürlich: Armlänge, Äquatorlänge,... fixiert durch (gewählte) Normale natürlich: Wellenlänge von Spektrallinien,... fixiert durch Naturgesetze Maßsystem Menge von Grundgrößen mit Einheiten Grundgrößen Basisgrößen (Definition willkürlich / natürlich) Reduzible Größen (Zurückführbar auf Basisgrößen) M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 13

14 1.3. Einheitensysteme Das SI-System ( Système International d Unités ) Grundgröße Einheit Abkürzung Länge Zeit Masse Meter Sekunde Kilogramm m s kg MKS-System ( Mechanik ) Temperatur Kelvin K Elektrischer Strom Lichtstärke Ampere Candela A Cd Zurückführbar auf MKS Substanzmenge Mol mol M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 14

15 Das CGS-System 1.3. Einheitensysteme Grundgröße Länge Zeit Masse Temperatur Elektrische Ladung Lichtstärke Substanzmenge Einheit Zentimeter Sekunde Gramm Kelvin Electrostatic Unit Candela Mol Abkürzung cm s g K esu Cd mol Nach internationaler Vereinbarung nicht mehr gebräuchlich... Jedoch: Besonders in der Theorie beliebt (weniger Konstanten-Faktoren) M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 15

16 1.3. Abgeleitete Größen mathematische Kombination von Grundgrößen Dimension: Maßeinheit der abgeleiteten Größe Beispiel: Geschwindigkeit v = d ( Länge ) / d ( Zeit ) = dx / dt Dimension:[ v] [ dx] [ dt] Konsistenztests von Gleichungen: Haben alle Summanden die gleiche Dimension? = Haben beide Seiten der Gleichung die gleiche Dimension? = m s = ms 1 M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 16

17 1.3. Präfix von Dimensionen Präfix Symbol Faktor Präfix Symbol Faktor Yotta Y yocot y Zetta Z zeto z Exa E atto a Peta P femto f Tera T pico p Giga G 10 9 nano n 10-9 Mega M 10 6 mikro µ 10-6 kilo k 10 3 milli m 10-3 deci d 10-1 centi c 10-2 M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 17

18 a) Zeitmessung: 1.4. Definition der Grundgrößen Alte Einheiten (willkürlich): Sonnentag; Sterntag Erdrotation Moderne (natürliche) Einheit: Cäsium-Atomuhr Nicht exakt konstant Gesamtdrehimpuls J des Elektrons E 2 S ½ F = 4 Termschema des Cs- Valenzelektrons e - F = 3 Kernspin I = 7/2 J = 1/2 Hyperfeinaufspaltung Mikrowellenstrahlung, Absorption bei ν = 9192, MHz δν/ν M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 18

19 1.4. Zeitskalen der Natur M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 19

20 1.4. Zeitskalen der Natur M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 20

21 1.4. Zeitskalen der Natur M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 21

22 Mikrowelle, elektrisches Feld als Funktion der Zeit: 1.4. Definition der Grundgrößen E t Periode T Definition: 1 Sekunde ist das Zeitintervall für ,0 Schwingungen der Mikrowelle bei Absorption durch den Hyperfeinstrukturübergang im Cäsium-Atom Frequenz (periodischer Vorgang) ν = [ ν] Zerfallsrate (Aktivität) (stochastischer Vorgang) A = [ A] N t 1 T = Hertz = Bequerel = = Hz = s 1 Bq = s t 1 M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 22

23 1.4. Definition der Grundgrößen b) Längenmessung: Alte Einheiten (willkürlich): Normalmeter (Platin-Iridium-Stab unter definierten Umweltbedingungen) Moderne (natürliche) Einheit: mittels Lichtgeschwindigkeit Definition: 1 Meter ist die Strecke, die Licht im Vakuum in der Zeitspanne t = 1 / s zurücklegt. Schieblehre mit Nonius Mikrometerschraube M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 23

24 1.4. Längenskalen der Natur M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 24

25 1.4. Definition der Grundgrößen Längenmessung Winkelmessung: Bogenmaß: φ [ rad ] = s / r 1 rad = 1 Radiant Gradmaß: 1 Grad = 1 = ( 2π / 360 ) rad 1 Minute = 1' = 1 / 60 1 Sekunde = 1'' = 1' / 60 r φ r s r Kreisumfang = 2π r Vollkreis hat 2π rad bzw. 360 Raumwinkel: Ω [ Sterad ] = A / r 2 1 Sterad = 1 Steradiant Ω Kugelfläche A r 2 Kugelfläche = 4π r 2 Vollkugel hat 4π Sterad r M. zur Nedden / S. Kowarik Vorlesung 01 Mechanik und Thermodynamik (Physik I) Seite 25