Einführung in die Physik für Maschinenbauer. WS 2010/2011 Universität Rostock Heinrich Stolz Kapitel 0: Einführung

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1 Einführung in die Physik für Maschinenbauer WS 2010/2011 Universität Rostock Heinrich Stolz Kapitel 0: Einführung 1

2 Zuerst: Fragen Physik bis Abi Leistungskurs Physik Assesmentcenter TU9? Lehrbuch : Heribert Stroppe Physik Hanser Verlag Preis (ab 200 Stück) 23 Was ist Physik? Aristoteles, Physik (= Natur) 2

3 Aristoteles ( v. Chr.), griechischer Philosoph. Zusammen mit Platon und Sokrates gehört er zu den berühmtesten und bedeutendsten Philosophen des Altertums Physik des Aristoteles entsteht aus Naturbeobachtung Grundgesetz der Bewegungslehre: Alle Körper bewegen sich von selbst auf ihren natürlichen Ort zu. Optische Täuschungen Unsere Sinne täuschen uns! Der Keil hat überall den gleichen Grauwert 3

4 Optische Täuschungen Unsere Sinne täuschen uns! Wasser fließt aufwärts Optische Täuschungen Unsere Sinne täuschen uns! Beide Quadrate haben den gleichen Grauwert 4

5 Optische Täuschungen Unsere Sinne täuschen eine Dynamik vor! Methode der Physik: Galiliei Durchführung von Experimenten Messergebnisse: Zahl Maßeinheit (Objektive Messungen) Mathematische Modelle Die Sprache der Natur ist die Mathematik Galilei, Galileo ( ), italienischer Physiker, Mathematiker, Philosoph und Astronom. 5

6 Was ist Physik? Die Physik besteht darin, durch gezielte Experimente Theorien, d.h. mathematisch formulierte Naturgesetze, über die Natur zu testen. Ziel ist, in einer möglichst einheitlichen Beschreibung, alles in der Natur zu verstehen. Physik und Technik? Technik: Anwendung der physikalischen Naturgesetze um neue Systeme, Prozesse etc. zu erzeugen, die vom Menschen beherrscht werden 6

7 Einteilung der Physik? Kosmologie Gravitationstheorie (Einstein) Thermodynamik Makrophysik Mechanik Elektromagnetismus Optik Makroskopische Quantensysteme Quantenmechanik Quantenfeldtheorien, Quantenoptik Mathematische Modellierung: 1. Messen der physikalischen Größen: Vergleich mit einem Normal 2. Physikalische Größe: Zahl X Maßeinheit 3. Normale: Genauigkeit, Reproduzierbarkeit 4. Güte der Messung: systematische Fehler, Genauigkeit 7

8 Länge : reelle Zahl x Längeneinheit Historisch: menschliche Maße: Fuß, Elle Seit der Französischen Revolution: 1m = 1/ Erdumfang 1875: Paris, Urmeter Aktuell: 1960: Wellenlänge einer Fluoreszenz-Linie des Krypton-Isotops : Das Meter ist die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während eines Zeitintervalls von 1/ s durchläuft Zeit Historisch: Pulsschlag, Pendel bis 1960: mittlerer Sonnentag Aktuell: Eine Sekunde ist das Zeitintervall, während dessen die Cäsium-Atomuhr Schwingungen macht Relative Genaugkeit : 8

9 Cs-Atomuhr Cs-Atomuhr 9

10 Nobelpreis für Physik 2006: Lichtuhr Theodor Hänsch Max-Planck-Institut für Quantenoptik, München Eigentlicher Erfinder S 1 S 2 Laserpuls I c/2l c/2l L T T t Einsteins Lichtuhr 10

11 Einstein und die Lichtuhr Einsteins Lichtuhr: fs- Laser S 1 S 2 Laserpuls I c/2l c/2l L T T t Thermodynamik 11

12 Stirling-Motor Kreisprozess im pv-diagramm Optik 12

13 Newtons 1. Prismenversuch Weißes Licht kann mit einem Prisma in die Spektralfarben zerlegt werden Farbige Schatten Schon Goethe beschäftigte sich in seiner Farbenlehre mit farbigen Schatten Schirm? 13

14 Auf einer Harzreise im Winter stieg ich gegen Abend vom Brocken herunter, die weiten Flächen auf-und abwärts waren beschneit, die Heide von Schnee bedeckt, alle zerstreut stehenden Bäume und vorragenden Klippen, auch alle Baum- und Felsenmassen völlig bereift, die Sonne senkte sich eben gegen die Oderteiche hinunter. Waren den Tag über, bei dem gelblichen Ton des Schnees, schon leise violette Schatten bemerklich gewesen, so mußte man sie nun für hochblau ansprechen, als ein gesteigertes Gelb von den beleuchteten Teilen widerschien. Als aber die Sonne sich endlich ihrem Niedergang näherte und ihr durch die stärkeren Dünste höchst gemäßigter Strahl die ganze mich umgebende Welt mit der schönsten Purpurfarbe überzog, da verwandelte sich die Schattenfarbe in ein Grün, das nach seiner Klarheit einem Meergrün, nach seiner Schönheit einem Smaragdgrün verglichen werden konnte. Die Erscheinung ward immer lebhafter, man glaubte sich in einer Feenwelt zu befinden, denn alles hatte sich in die zwei lebhaften und so schön überein-stimmenden Farben gekleidet, bis endlich mit dem Sonnenuntergang die Prachterscheinung sich in eine graue Dämmerung, und nach und nach in eine mond- und sternhelle Nacht verlor. Licht als Welle Kann man einen Lichtstrahl beliebig dünn machen? Spalt 14

15 Spalt Beugung am Spalt 15

16 Interferenz am Doppelspalt + Photoeffekt Hallwachs, Hertz (1887) Einstein (1905), Millikan (1920) 1 v 2 2 m h Geburtsstunde der Quantenoptik 16

17 Unser heutiges physikalisches Weltbild: Materie hierarchischer Aufbau Elementarteilchen Kräfte Felder Quanten 17

18 Unser heutiges physikalisches Weltbild: Elementarteilchen 18

19 Die 4 fundamentalen Kraft-Felder Farbfeld Schwaches Feld Elektromagnetisches Feld Schwerefeld Merke: Nach der Quantenfeldtheorie bestehen auch die Felder aus Teilchen und die Elementarteilchen sind Felder (Welle-Teilchen-Dualismus) Ziel der Vorlesung Physik für Maschinenbauer Einführung in die Denkweise der Physik Überblick über die Felder der Physik Nicht: Einübung von Klausuraufgaben, dazu Übung Dazu notwendig: Vor und Nachbereitung der Vorlesung anhand von Lehrbüchern Stroppe: Physik f. Ingenieure 19