hält uns auf der Erde.

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1 Weltbild des Thales von Milet Kreisel-Drehmomente ermöglichen stabiles Fahren auf nur zwei Rädern. Die Gravitationskraft hält uns auf der Erde. Im Universum gibt es Milliarden Galaxien. Optimaler Einsatz von Kräften und Drehmomenten bringen im Sport die größten Weiten, Höhen, etc. Beim plötzlichen Abbremsen eines Körpers treten gefährliche Trägheitskräfte auf. Teil A Mechanik 1 10 Teil A

2 A MECHANIK I Teil Kapitel 1: Lebensraum Universum Kapitel 2: Körper in Bewegung Kapitel 3: Kräfte und ihre Wirkungen Kapitel 4: Erhaltungsgrößen der Mechanik Kapitel 5: Der Kreisel In der Vorstellung des Thales von Milet ( v. Chr.) war die Erde eine auf einem großen Wasser schwimmende Scheibe. Über ihr spannt sich das Himmelsgewölbe mit den daran befestigten Sternen. Die Sonne war ein Loch in diesem Gewölbe, durch das Licht von dem dahinter brennenden großen Feuer auf die Erde fällt. Bei einer Sonnenfinsternis ist dieses Loch vorübergehend verstopft. Heute wissen wir nicht nur, dass die Erde nur einer von mindestens neun Planeten des Sonnensystems ist, sondern auch, dass unsere Sonne nur einer von etwa 100 Milliarden Sternen in der Milchstraße und die Milchstraße ihrerseits nur eine von vielen Milliarden Galaxien im Universum ist. Klein sind die Menschen auf ihrem Planeten geworden. Dennoch sind für die Menschen und die Menschheit insgesamt dieabläufe und Prozesse auf der Erde von lebenswichtiger Bedeutung. Im ersten Kapitel dieses Abschnittes von Faszination Physik 1 werden wir einen einführenden Blick auf die räumlichen und zeitlichen Dimensionen in Mikro- und Makrokosmos werfen. Die komplexen Prozesse die hier oft im für uns Verborgenen ablaufen, lassen sich aber nur verstehen, wenn man sich zuvor mit den grundlegenden Begriffen und Zusammenhängen der allgemeinen Physik befasst hat. Nach einem einführenden Blick auf die räumlichen und zeitlichen Dimensionen in Mikro- und Makrokosmos werden wir uns in Teil A von Faszination Physik 1 mit den grundlegenden Fragen der Mechanik befassen. Die Mechanik spielt im täglichen Leben jeder und jedes Einzelnen von uns eine wichtige wenn auch oft unbemerkte, weil als selbstverständlich empfundene Rolle. Erst wenn z. B. die auftretenden Beschleunigungs- oder Bremskräfte größer sind als die vorhandene Reibungskraft, wird so manchem die große Bedeutung dieser Zusammenhänge (oft schmerzhaft) bewusst. Im Straßenverkehr hängt buchstäblich unser Leben an derausgewogenheit der beteiligten mechanischen Kräfte. Mechanische Kräfte und Drehmomente sind es aber auch, die optimal eingesetzt den Sieg in sportlichen Wettkämpfen bringen. Sie halten uns auf der Erde und ermöglichen überhaupt erst das Fahren auf zwei Rädern. Physikalische Größen wie Arbeit, Leistung und Energie sind nötig, um Energieumwandlungsprozesse und ihre Effizienz zu beschreiben. Erhaltungssätze versetzen uns in die Lage, Abläufe verhältnismäßig einfach zu berechnen und so auftretenden Belastungen vorherzusagen. Teil A 11

3 Stagira (Aristoteles) Abdera (Demokrit) Athen (Platon) Milet (Leukipp) Leukipp (um 500 v. Chr.) und Demokrit ( v. Chr.) gelten als die Begründer desatomismus. Platon ( v. Chr.) und Aristoteles ( v. Chr.) lehnten dies ab. Sie gingen von einem kontinuierlichen Aufbau der Stoffe aus. Ihre Ideen bestimmten für zwei Jahrtausende die Vorstellungen von der Natur. D. Bernoulli ( ) erklärte das Verhalten von Gasen: Gase bestehen aus kleinen Teilchen, die miteinander und mit dem Behälter durch elastische Stöße wechselwirken. Masse und positive Ladung en J. Thomson ( ) gab den Atomen erstmals eine innere Struktur. Masse und positive Ladung sind gleichmäßig im Atom verteilt. Die negativen en sind wie Rosinen in einem Teig verteilt. Erwartet: Beobachtet: + -Teilchenstrom -Teilchenstrom Thomson sche Atome dürften einen Strom aus -Teilchen nur wenig ablenken. Aus der gemessenen, teilweise sehr starken, Ablenkung schloss E. Rutherford ( ) auf die Existenz eines massiven Kerns im Inneren der Atome, der die gesamte positive Ladung beinhaltet. Die en bewegen sich in beliebigen Bahnen um den Kern. N. Bohr ( ) postulierte stationäre Bahnen, auf denen sich die en ohne Energieverlust bewegen können. + Die Entwicklung der Vorstellungen vom Aufbau der Materie 12 Die Welt des Mikrokosmos

4 1. Lebensraum Universum Ziel der Physik ist es, für die Abläufe in der Natur möglichst umfassende Erklärungsmodelle und Theorien zu entwickeln. Ein wichtiges Instrument dabei ist die Beobachtung; einerseits die passive Beobachtung von Vorgängen, andererseits das Experiment, das als gezielte, aktive Frage an die Natur zu verstehen ist. Bei der Beobachtung von Vorgängen ist der Mensch allerdings starken Einschränkungen unterworfen. Die Alltagsumgebung, wie wir sie wahrnehmen, ist nur ein winziger Bruchteil der gesamten Wirklichkeit. Ohne aufwändige Geräte können wir weder mikroskopisch kleine Objekte wahrnehmen, noch Vorgänge beobachten, die in millionstel Sekunden ablaufen. Erst der rasante technologische Fortschritt seit dem 20. Jh. ermöglichte eine enorme Verbesserung bestehender, aber auch die Entwicklung ganz neuer Beobachtungsinstrumente. Die Explosion an Erkenntnissen ist zu einem wesentlichen Teil darauf zurückzuführen, wobei sich diese Erkenntnisse ihrerseits wieder befruchtend auf den technologischen Fortschritt auswirken. 1.1 Die Welt des Mikrokosmos Die Idee, Körper könnten aus kleinsten, nicht mehr weiter teilbaren Teilchen bestehen, wurde erstmals im antiken Griechenland von Leukipp und Demokrit geäußert. Heftig bekämpft wurde diese Vorstellung von Platon und Aristoteles. Sie gingen von einem kontinuierlichen Aufbau der Materie aus und setzten sich letztlich durch. Erst ab dem 17. Jh. erhielt die Vorstellung von der atomaren Struktur der Materie neuen Auftrieb. Impulse dazu kamen v. a. von der Untersuchung des Gasverhaltens und von der Chemie. Man erkannte, dass sich viele chemische Vorgänge mit der Annahme eines atomarenaufbaus der Materie einfach erklären lassen. Nachdem man gesehen hatte, dass von Atomen sowohl negative als auch positive Teilchen ausgesendet werden können, entwickelte J. Thomson 1904 ein neues Modell. Atome sollten demnach kompakte Kugeln sein, in denen Masse und positive Ladung gleichmäßig verteilt und die en wie Rosinen in einem Kuchen eingebettet sind. Wenige Jahre später zeigten Experimente die Unzulänglichkeiten dieses Modells auf. Beim Beschuss von Metallfolien mit -Teilchen stellte E. Rutherford 1911 fest, dass Atome nicht massive Kugeln sein können, sondern viel leeren Raum enthalten müssen. Rutherford hatte damit den Atomkern entdeckt. Die en sollten sich auf Bahnen um denatomkern bewegen. Die Weiterentwicklung dieser Vorstellung führte zum auch heute noch häufig verwendeten Bohr schen Atommodell. Die en können sich hier nur in ganz bestimmten Energiezuständen und damit auf ganz bestimmten (den stationären) Bahnen bewegen. Die Welt des Mikrokosmos 13

5 Linienspektrum Atomkern E 1 E 2 E 3 Mit dem Bohr schen Atommodell konnte man erstmals erklären, warum heiße Gase ein Linienspektrum aussenden. Das Bohr sche Atommodell kann nicht erklären, warum die en nicht ständig Strahlung aussenden und in den Kern stürzen. Strahlung O r b i t a l In der Sicht der Quantenmechanik werden aus den enbahnen Orbitale. Sie geben an, wo sich ein mit wie großer Wahrscheinlichkeit befindet. Atomkern Erfolg und Misserfolg des Bohr schen Atommodells Zelle Molekül Atom Atomkern Nukleon Quark 10-5 m m 10 m m m -18 <10 m HADRONEN bestehen aus Quarks Baryonen 3 Quarks up down 3 Familien Quarks Proton strange charme Mesonen Quark + Antiquark bottom top Neutron LEPTONEN elementar Myon 3 Familien Leptonen 1 l Wasser Molekülkette Tauon km up-quark down-quark Moleküle Standardmodell der Teilchenphysik 14 Die Welt des Mikrokosmos