Physik I im Studiengang Elektrotechnik

Transkript

1 Physik I im Studiengang Elektrotechnik - Einführung in die Physik - Prof. Dr. Ulrich Hahn WS 2015/2016

2 Physik eine Naturwissenschaft Natur leblos lebendig Physik Chemie anorganisch Chemie organisch Biochemie Biologie Deutung, Erklärung, Quantifizierung von - Naturvorgängen - Eigenschaften von Körpern - Aufbau der Materie Technische Anwendungen Einführung 2

3 Gebiete der Physik Mechanik Akustik Thermodynamik Elektrodynamik Optik Bewegungen von Körpern Schall, Wellen Wärme, ~transport Elektrizität, Magnetismus Licht Atomphysik Festkörperphysik Kernphysik Laser Elementarteilchenphysik Astrophysik/Kosmologie Supraleitung Einführung 3

4 Welche Gebiete braucht die Elektrotechnik? Mechanik Akustik Thermodynamik Elektrodynamik Optik Antriebs-, Automatisierungs-, Gebäudesystemt. Beschallung, Maschinen, Umwelttechnik Energie-, Umwelt-, Gebäudesystemtechnik Nachrichtentechnik Atomphysik Festkörperphysik Kernphysik Werkstoffe, Bauelemente, Halbleiter Kernkraftwerke Sensorik, Messtechnik, Umwelttechnik Einführung 4

5 wie wird das Wissen gewonnen? Physikalischer Erkenntnisprozess Natur beobachten Verfeinern Experimente (definierte Bedingungen) Zusammenhänge zwischen Parametern/Einflußgrößen suchen prüfen prüfen Verallgemeinerung mathematische Formulierung Naturgesetz Modelle Simulation Ableiten anderer Zusammenhänge (Deduktion von Naturgesetzen) Technik Anwendung Einführung 5

6 Geltungsbereich von Naturgesetzen Proton m Atom m Virus 10-7 m Mensch 1,75 m Erde 10 7 m Sonnensystem m Galaxis m Mikrophysik klassische Physik direkt erfahrbar Makrophysik Quantentheorie Schulphysik Relativitätstheorie Wirkung << h Geschw. << c einheitliche Theorie??? Einführung 6

7 Prinzipien der klassischen Physik Zerlegung: Komplexes System Teilsystem 1 Teilsystem 2 Stetigkeit: Zeitliche Kausalität: Ursache Abfolge Wirkung Objektivierbarkeit: Beobachtung beeinflusst nicht das beobachtete Objekt Einführung 7

8 beschreiben messbar Physikalische Größen Eigenschaften Zustände Vorgänge physikalischer Objekte/Systeme Physikalische Größe = Zahlenwert * Einheit (wieviel) (was) G = {G} * [G] Messverfahren für die Einheit festlegen möglichst genau unabhängig vom Messort und -zeit leicht verfügbar das Einsatzgebiet abdecken i. a. mehrere Messverfahren unabhängig von der Wahl der Einheit andere Zahlenwerte physikalische Gesetze: Verknüpfung physikalischer Größen unabhängig von der Wahl der Einheiten Einführung 8

9 Basisgrößen & Maßsysteme Viele physikal. Systeme Viele physikal. Größen Viele Messverfahren Physikalische Gesetze (Verknüpfung physikal. Größen) Reduktion auf Basisgrößen minimal: c g s System: Gebräuchlich: m k s A System: Meter - Länge Kilogramm - Masse Sekunde - Zeit Ampere - Stromstärke Centimeter - Länge Gramm - Masse Sekunde - Zeit Kelvin - Temperatur Candela - Lichtstärke mol - Stoffmenge Einführung 9 K Cd m kg s A mol

10 Rechnen mit physikalischen Größen Größenvorsätze Hekto Deka Dezi Zenti Merke: Größenordnung: 10 x Peta Tera 10 9 Giga 10 6 Mega 10 3 Kilo Milli Mikro Chip-Leitung 1,3*10-6 m 10-9 Nano Molekül 1*10-9 m Piko Femto Lichtjahr 9,5*10 15 m Planetensystem 6*10 12 m Sonne 1,4*10 9 m Erde 1,3*10 7 m Mt. Everest 8,8*10 3 m Mensch 1,75 m Regentropfen 1*10-3 m Atom 1*10-10 m Atomkern 1*10-14 m Einführung 10

11 Rechnen mit physikalischen Größen Basisgrößen Abgeleitete Größen immer: Verknüpfung unterschiedlicher (Basis)größen durch Punktrechnung! E = {E}*[E] : = G/H E = {G}*[G]/{H}*[H] = {G}/{H}*[G]/[H] {E} = {G}/{H}; [E] = [G]/[H] aber: E = {E}*[E] : = G + H E = {G}*[G] + {H}*[H] {E}*[E] E = {G 1 }*[G] + {G 2 }*[G] E = {G 1 + G 2 }*[G] Dimensionsprobe: Ergibt die Berechnung die Einheit der gesuchten Größe? Haben alle Summanden die gleiche Einheit? Einführung 11

12 Einfluss der Messgenauigkeit: Gültige Stellen Physikal. Größe Eingangsgrößen Messung Berechnung Beschränkte Genauigkeit Zahlenwert*Einheit Gültige Stellen Gültige Stellen: Gesicherte Ziffern des Zahlenwertes, außer den die Größenordnung festlegenden Nullen wissenschaftliche Notation: {G} = A*10 b ; 1 gültige Stellen: gesicherte Ziffern von A gültige Stellen bei Verknüpfungen: Strichrechnung: keine gültige Stelle jenseits der gemeinsamen gültigen Dezimalstellen Punktrechnung: kleinste Zahl der gültigen Stellen in allen Faktoren Einführung 12