Experimentalphysik E1

Transkript

1 Experimentalphysik E1 Prof. Joachim Rädler & Prof Hermann Gaub Paul Koza (Vorlesungsbetreuung) Martin Benoit (Leiter der Übungen) Alle Informationen zur Vorlesung unter : Anmeldung zu den Übungen über das LSF System bis heute 15Uhr!!

2 Mechanik ist überall Extraterrestrische Planeten, LS Bender Meteorologie LS Mayer Nanophysik: E Weig, LS Kotthaus Kraftspektroskopie LS Gaub

3 Inhalte Mechanik: Lehre von der Bewegung von Körpern * Mechanik eines Massepunktes Bewegungen, Kräfte, Drehbewegungen, Impuls, Energie, Spezielle Relativitätstheorie * Systeme von Massepunkten, Dynamik starrer Körper * Schwingungen und Wellen, * Hydrostatik, Hydrodynamik * Akustik

4 Inhalte - heute Mechanik Grundlagen der Physik * Weltbild der Physik Theorie und Experiment * Grundgrößen, Normale und Messverfahren * Dimension und Größenordnungen

5 Literatur: W. Demtröder, Experimentalphysik 1 Springer Lehrbuch P. A. Tipler, Physik, Spektrum Akad. Verlag Meschede, Gerthsen Physik, Springer Verlag Bergmann, Schäfer : Lehrbuch der Experimentalphysik R.W. Pohl Mechanik, Akustik und Wärmelehre The Feynman Lectures on Physics, Vol.1, Addison Wesley

6 "Man kann einem Menschen nichts lehren; man kann ihm nur helfen, es in sich selbst zu finden." Galileo Galilei ( ) italienischer Mathematiker, Physiker und Philosoph

7 Richard Feynman Science is a way to teach how something gets to be known, what is not known, to what extent things are known (for nothing is known absolutely), how to handle doubt and uncertainty, what the rules of evidence are, how to think about things so that judgements can be made, how to distinguish truth from fraud, and from show.

8 Richard Feynman The Key to Science

9 Zur Methode der Physik 1. Empirische Wissenschaft stellt Fragen an die Natur => Experimente 2. Exakte Wissenschaft Beschreibung der Natur mit Hilfe der Mathematik

10

11 Nach welchem Gesetz fallen Körper? Vom Experiment widerlegte historische Theorien Aristoteles (4. Jahrh. v. Chr.) Erde ist der niedrigste natürliche Ort, also fallen alle Körper, die aus Erde sind, auf die Erde. Schwere Körper, die mehr Erde enthalten, fallen schneller als leichte. Albert von Sachsen (14 Jhr n. Chr.) : v~s Nicole Oresme (14 Jhr n. Chr.) : v~t Leonardo da Vinci (15 Jhr n. Chr.) : Die in gleichen Zeitintervallen zurückgelegten Strecken sind proportional den ganzen Zahlen (1,2,3...) Galileo unter anderen (16 Jhr n. Chr.) : Die in gleichen Zeitintervallen zurückgelegten Strecken sind proportional den ungeraden ganzen Zahlen (1,3,5,...) Galilei führte die ersten systematischen Messungen aus. Sein Trick : Verlangsamung des freien Falls durch schiefe Ebene

12 Zur Methode der Längenmessung Die menschliche Wahrnehmung ist für physikalische Messungen nur bedingt brauchbar. (siehe Versuch rot/grün)

13 Messverfahren und Normale Messen heißt immer zwei Größen miteinander zu vergleichen. Für einen einheitlichen, zahlenmäßigen Vergleich werden Standards, sogenannte Normale festgelegt. Der Messvorgang sollte folgende Kriterien erfüllen : Forderungen an eine physikalische Messung: 1. reproduzierbar (Invarianz der Naturgesetze) 2. quantitativ (d.h. zahlenmäßig in Maßeinheiten) 3. genau (unter Angabe eines Messfehlers) Forderungen an ein Normal: Normale müssen mit genügender Genauigkeit, reproduzierbar und mit vertretbarem technischen Aufwand mit zu messender Größen vergleichbar sein.

14 Griechisches Alphabet

15 Einheit der Masse Heute gültige Definition : Kilogramm [kg] 1 Kilogramm (kg) ist die Masse eines Platin-Iridium- Zylinders, der als Massennormal in Paris aufbewahrt wird. => Relative Messunsicherheit : 10-9 Das Kilogramm ist durch die Masse eines Einheitskörpers festgelegt (Urkilogramm), das in Sevres bei Paris (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) aufbewahrt wird (seit 1889). Eine Kopie des Urkilogramms befindet sich an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Vorarbeiten zu Definition über feste Zahl von Atomen (Si-Einkristall) Das Urkilogramm

16 Atomare Masse In der Atomphysik und Chemie werden auch Atommasseneinheiten benutzt. Dem Isotop 12 C wird die Atommassezahl 12 zugeordnet 1 Eine Atomare Masseneinheit (amu) = ( 12 m C) 27 = 1, kg 1 mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012kg des Kohlenstoffnuklids 12 C enthalten sind. 12 Stoffmengeneinheit (Mol) Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 Mol ist die Avogadro-Konstante N A = (10) /mol n = N N A N : Teilchenzahl [einheitenlos] n : Stoffmenge [mol] 1amu = 1 12 m 12 C ( ) = 0.001kg / NA =1, kg

17 Siliziumkugel als neuer Massestandard? Die Avogadro-Kugel aus dem Silizium-Isotop-28 könnte zur Neudefinition des Urkilogramms herangezogen werden. Abzählen der Atome notwendig

18 Einheit der Länge 1875 : Das Urmeter (Paris) Wurde so gewählt, dass die Strecke vom Nordpol über Paris zum Äquator 10 7 m beträgt Definition über die Wellenlänge des Krypton- Isotops 86 Seit 1983 ist die Lichtgeschwindigkeit auf c 0 = m/s festgelegt. Heute gültige Definition : Meter [m] 1 Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/ Sekunden durchläuft. => Relative Messunsicherheit : 10-14

19 GPS Triangulation mit Radiosignalen

20 Vorsilben (SI - Vorsätze) zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen

21 Massen und Längen im Universum

22 Ursprüngliche Definition: 1s = 1/( ) = 1/86400 eines mittleren Sonnentages Einheit der Zeit Heute gültige Definition : Sekunde [s] 1 Sekunde ist das Zeitinterval, während dessen die Cäsiumuhr ,0 Schwingungen macht. => Relative Messunsicherheit : Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch.

23 Messungen bis 100 GHz mit elektronischen Zählern möglich

24 Frequenz Kamm Th. Udem et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999).

25

26 Zeitenskalen sec Alter des Universums Alter der Erde 10 9 Erste Menschen / alter der Pyramiden Jahr = 3, s, 1 Tag 8, s 10 3 Zeit die Licht von der Sonne zur Erde benötigt 1 Abstand zwischen Herzschlägen 10-3 Periode einer Schallwelle 10-6 Periode einer Radiowelle 10-9 Licht legt 30cm zurück Periode einer Molekülschwingung Periode einer Atomschwingung Licht legt Atomdurchmesser zurück Periode einer Kernschwingung Licht legt Kerndurchmesser zurück

27 Die 7 Basisgrößen und SI-Basiseinheiten der Physik Basisgrösse (Symbol) SI-Einheit Symbol Länge (l) Meter [m] Zeit (t) Sekunde [s] Masse (m) Kilogramm [kg] El. Stromstärke (I) Ampère [A] Temperatur (T) Kelvin [K] Lichtstärke (I) Candela [cd] Stoffmenge (n) Mol [mol] Zur Unterscheidung der Abkürzungen, d.h. der Symbole, für die Einheiten von anderen Abkürzungen setzen wir in dieser Vorlesung die Symbole für die Einheiten in eckige Klammern