Physik A Wintersemester 2012/2013 Dr. Johann P. Klare FB Physik, Universität Osnabrück

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1 Physik A Wintersemester 2012/2013 Dr. Johann P. Klare FB Physik, Universität Osnabrück

2 Übungsgruppen Tag Zeit (c.t.) Raum Montag 10:00-12:00 IG :00-12:00 IG :00-16:00 IG1 87 Dienstag 10:00-12:00 IG :00-12:00 AP :00-16:00 IG :00-18:00 IG1 85 Mittwoch 8:00-10:00 IG :00-12:00 KP303 12:00-14:00 IG :00-16:00 IG1 618 Freitag 10:00-12:00 AP :00-16:00 IG :00-16:00 IG1 618

3 Physik Physik = Wissenschaft von der unbelebten Natur (griechisch: Physike episteme = Wissenschaft von der Natur) genauer: Physik ist die Wissenschaft von den fundamentalen Aspekten der Natur, dem Aufbau und Bewegung der unbelebten Materie und den sie hervorrufenden Kräften und Wechselwirkungen Max Born, Nobelpreisträger 1954: Der Physiker stellt Experimente an, beobachtet Regelmäßigkeiten, formuliert diese in mathematischen Gesetzen, sagt mit Hilfe dieser Gesetze neue Erscheinungen voraus, vereinigt die verschiedenen empirischen Gesetze zu zusammenhängenden Theorien, die unserem Bedürfnis nach Harmonie und logischer Schönheit genügen, und schließlich prüft er diese Theorien wieder durch Vorhersagen."

4 Physik Grundlegendste aller Wissenschaften Beschreibung der der Struktur der Materie und Strahlung Beschreibung aller (!) Vorgänge in der Natur Klassische Physik Klassische Mechanik Strömungslehre Thermodynamik Akustik Optik Elektrizität Magnetismus Einteilung Moderne Physik Quantenmechanik Relativitätstheorie Atomphysik Kernphysik Teilchenphysik Astrophysik Alle Wissenschaftler nutzen die Physik als fundamentale Basis: Physiker, Chemiker, Biologen, Ingenieure, Astronomen, Mathematiker und Geologen.

5 Themen der Vorlesung: Physik A 1. Einleitung: Grundbegriffe der Physik, Größen und Einheiten, Messungen und Messfehler 2. Kinematik: Bewegungen, Geschwindigkeit, Beschleunigung 3. Statik starrer Körper: Kräfte, Kräftegleichgewichte, Drehmoment 4. Arbeit und Energie 5. Impuls und Stöße 6. Drehbewegung und Drehimpuls 7. Festkörper 8. Flüssigkeiten 9. Hydrodynamik 10. Schwingungen und Wellen 11. Thermodynamik: Temperatur, Wärme, Hauptsätze, ideale und reale Gase

6 12. Elektrostatik 13. Magnetismus 14. Elektrodynamik 15. Strahlenoptik (geometrische Optik) 16. Wellenoptik 17. Atom-, Kern- und Teilchenphysik

7 Beobachtungen und Experimente Einer der Grundlegendsten Aspekte der Wissenschaft ist die Beobachtung. Wiederholte und aufmerksame Beobachtung des Verhaltens der Materie (oder allgemein der Welt): Erkennen von Gesetzmäßigkeiten ( Gesetz) Versuch der Beschreibung des beobachteten Verhaltens Verständnis des beobachteten Verhaltens ( Entwicklung von Modellen und Theorien) Überprüfung der Modelle, Theorien und Gesetze indem Vorhersagen über das Verhalten des Systems durch Experimente überprüft werden.

8 Beobachtungen und Experimente Experimente erlauben die wiederholte Beobachtung des Verhaltens eines Systems unter (möglichst) kontrollierten (reproduzierbaren) Bedingungen. Experimente liefern meist Messwerte = quantifizieren eine oder mehrere Größen (z.b. Temperatur oder Geschwindigkeit), die miteinander in Zusammenhang gebracht werden können und zu Gesetzen in Form von Beziehungen oder Gleichungen führen können. Experimente sind geeignet: - Gesetze zu überprüfen und - mit stetig verfeinerten Messverfahren den Gültigkeitsbereich dieser Gesetze zu bestimmen.

9 Modelle, Theorien und Gesetze Modell Analogie bzw. mentales Bild eines Phänomens Beispiel: Wellenmodell des Lichtes Analogie zu Wasserwellen Christiaan Huygens ( ) Modelle vermitteln häufig ein tieferes Verständnis und erlauben potentielle Rückschlüsse auf das Verhalten des untersuchten Systems ( Planung von Experimenten zur Überprüfung) aus der Analogie zu etwas Bekanntem.

10 Modelle, Theorien und Gesetze Theorie Verwendung der Begriffe Modell und Theorie häufig synonym! Aber: Theorien sind komplexer, detaillierter und häufig in der Lage, mehrere Phänomene (häufig präzise) zu erklären. Beispiele: Atomtheorie der Materie - sehr erfolgreich, nicht umfassend, aber in der Lage zahlreiche Phänomene zu erklären und zu beschreiben. aber auch (s.o.) Wellentheorie des Lichtes ( Wellenmodell) ebenfalls sehr erfolgreich, erklärt Ausbreitungsverhalten, Interferenz und Beugung.

11 Modelle, Theorien und Gesetze Gesetz Prägnante, allgemeine Aussage über das Verhalten der Materie. Beispiel: Energieerhaltung Häufig nimmt ein Gesetz die Form einer Beziehung oder Gleichung zwischen verschiedenen Größen an. Beispiel: Newtons zweites Axiom: Kraft gleich Masse mal Beschleunigung Hinweis: Kraft F und Beschleunigung a sind vektorielle Größen = haben einen Betrag und eine Richtung (siehe VL 3 & 5)! Der Ausdruck Gesetz wird (in der Wissenschaft) genutzt, wenn die Gültigkeit über einen breiten Bereich an Anwendungsfällen überprüft worden ist, und F m a Begrenzungen und Gültigkeitbereich klar sind.!!! Neue Informationen (z.b. durch neue experimentelle Möglichkeiten, Verfeinerung von Messverfahren etc.) können dazu führen, dass Gesetze modifiziert oder sogar verworfen werden müssen!!!

12 (aus: Richard Dawkins, The God Delusion übers.: Der Gotteswahn, Ullstein)

13 (aus: Richard Dawkins, The God Delusion übers.: Der Gotteswahn, Ullstein)

14 Literatur / Lehrbücher [1] Giancoli, Douglas C. (2006), Physik, Pearson, ISBN [2] Stroppe, H., Physik für Studenten der Natur- und Technikwissenschaften, Carl Hanser Verlag + Physik Beispiel und Aufgaben, Band 1 & 2 [3] Harten, U., Physik Einführung für Ingenieure und Naturwissenschaftler, SpringerVerlag [4] Vogel, H., Gerthsen Physik, Springer Verlag....

15 Blauer Himmel und rote Sonnenauf- und -untergänge Optik Physik im Alltag Gravitationskräfte zwischen Sonne und Mond erzeugen Ebbe und Flut Mechanik Wellen brechen sich am Strand, Strömungen entstehen Hydrodynamik Warme Luft steigt über dem Wasser auf, kühle Luft fließt vom Land her nach Wärmelehre

16 Schall breitet sich in der Luft aus, das Ohr nimmt ihn auf Akustik, Wellenphysik Physik im Alltag Surfen, Segeln, Drachenflug Mechanik Auto, Fahrrad, Flugzeug Mechanik, Elektrizität Computer, Handy Elektrizität, Festkörperphysik

17 Aktuelle Themen/Forschungsgebiete der Physik Quantenphysik: Informationsverarbeitung, Quanten-Teleportation, neue Datenübertragungstechniken Festkörperphysik: neue Nano-Materialien, intelligente Werkstoffe Kohlenstoff- Nanoröhrchen ( Nanotubes ) Optik: neue Laser, optische Datenspeicherung