Vorlesung: 2 x 45 min

Transkript

1 Einführung in die Physik für Pharmazeuten und Biologen (PPh): Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik Dozent: Bert Nickel Versuche: Gunnar Spiess, Christian Hundschell Übungsleiter: Martin Huth, Matthias Fiebig Tutoren: Samira Hertrich, Christian Hundschell, Christian Späth Bert Nickel (089)

2 Vorlesung: 2 x 45 min

3 Experimente: Gunnar Spiess, Christian Hundschell Übungen Martin Huth Matthias Fiebig

4 Tutorials: Samira Hertrich Christian Hundschell Christian Späth Einführung in die Physik für Pharmazeuten und Biologen (PPh): Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik Übung : Vorlesung: Tutorials: Klausur: Montags 13:15 bis 14 Uhr, Butenandt-HS Montags 14:15 bis 15:45, Liebig HS Montags 16:00 bis 17:30, C3003 und D0001 Montag, um 13 Uhr Web-Seite zur Vorlesung :

5 Inhalt der Vorlesung: Mechanik Bewegungen, Kräfte, Impuls, Energie, Hydrostatik, Hydrodynamik Schwingungen und Wellen, Akustik Wärmelehre Temperatur, Wärme, Aggregatzustände, Wärmeleitung Elektrizitätslehre : Elektrostatik und Elektrodynamik Ladungen, Felder, Potentiale, Spannung, Strom, Magnetismus, Induktion, Wechselströme Elektromagnetische Wellen Optik Strahlenoptik, Wellenoptik, Röntgenstrahlung, Laser Aufbau der Materie Atomphysik, Kernphysik, Festkörper Literatur: 430 Seiten, ca. 30 Euro 720 Seiten, ca. 54 Euro

6 Die wichtigsten methodischen Entwicklungen in der Bioanalytik Physik liegt vielen analytischen Techniken zugrunde Quelle : Lottspeich & Zorbas

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

8 "Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosopie"" Newtonsche Mechanik : Erste moderne Theorie Theorie Hypothese Experiment (Modell) Erkenntnis Galilei: einer der ersten modernen Experimentatoren Konkurrenz der Weltbilder (Theorien) jede der abgebildeten Theorien hatte den Anspruch den Lauf der Planeten korrekt zu beschreiben und vorhersagen zu können grafischen Darstellung von 1750

9 Physikalische Größen, Einheiten Eigenschaften, Zustände oder Vorgänge die messbar sind, bezeichnet man als physikalische Größen Physikalische Größe = Maßzahl * Maßeinheit Länge [m] Zeit [s] Geschwindigkeit[m/s] Kraft [N] m:meter s:sekunde N:Newton Dimension : Beschreibung einer physikalischen Größe in ihren Basisgrößen Beispiel: Geschwindigkeit = Länge Zeit (Die Dimension ist unabhängig von der Wahl der Einheiten) Praktische Einheiten empirisch: v = B 3/2 m/s Beaufort 0 Beaufort 12 B= 2: v= 7-11 km/h B=12: v=120 km/h

10 Die Basiseinheiten (SI-Einheiten) SI: système international d unités Einheit der Länge Das Urmeter von 1876 Seit 1983 ist die Lichtgeschwindigkeit auf c 0 = m/s festgelegt. Relative Unsicherheit 10-14

11 Größenordnungen in der Physik n 10 Logarithmische Skala Vorsilben (SI - Vorsätze) zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen

12 1 Millimeter 1 Mikrometer 1 Nanometer 100µm 10µm 100nm 10nm Mikroelektronik Chemie 0,1nm Physik: Top-Down Nanowissenschaft Chemie: Bottom-Up interdisziplinär Der Nano-Kosmos in unsere Welt skaliert Atome 1 cm 0,2 nm 1m Proteine 25 nm 40 m E.coli 1µm

13 TM Virus a) Kohlenstoff b) Zucker c) ATP d) Chlorophyll e) trna f) Antikörper g) Ribosome h) Poliovirus i) Myosin j) DNA k) F-actin l) Enzyme m) Pyruvat dehydrogenase Virus Phage Moleküle Bakterium 1µm 1nm 3 Größenordnungen Goodsell, 1993 Einheit der Zeit Früher : 1sec=1/86400 Tag Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch. Relative Unsicherheit 10-14

14 Zeitmessung :Oszilloskop 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

15 Einheit der Masse Das Urkilogramm Relative Unsicherheit 10-9 vorher: definiert über Wasserdichte Rätselhaft: Das Urkilogramm schwindet Paris - Sehr langsam, aber doch nimmt das Urkilogramm ab, wie sein Wächter erklärte. Der Kilogramm-Prototyp, ein 39 Millimeter hoher Zylinder aus einer Platin- und Iridium-Legierung, wird seit 118 Jahren in einem Tresor des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM) in Sevres bei Paris aufbewahrt. Nur alle vierzig Jahre wird das Maß aller Kilos aus dem dreifach gesicherten Behältnis hervorgeholt, um es mit Kopien des Urkilogramms abzugleichen. Bei den jüngsten Messungen zeigte sich, dass das Original im Durchschnitt 50 Mikrogramm leichter war als die Vergleichskilos. "Sonderbar, denn alle Kopien sind aus dem gleichen Material wie das Urkilo", so der Physiker Richard Davis. Und viele der Referenzzylinder wurden ebenfalls 1889 gegossen kg : Unsicherheit 5 x 10-8!

16 Stoffmengeneinheit Mol Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012kg des Kohlenstoffnuklids 12 C enthalten sind. Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist die Avogadro-Konstante N A = 6, /mol n = N N A N : Teilchenzahl [einheitenlos] n : Stoffmenge [mol] In der Atomphysik und Chemie werden auch Atommasseneinheiten benutzt. Dem Isotop 12 C wird die Atommassezahl 12 zugeordnet Atomare Masseneinheit (amu) =u= 1 12 m ( 12 C)= 10 3 kg N A mol =1, kg

17 Messgenauigkeit und Messfehler 1. systematische Fehler : z.b. durch Messapparatur bedingt 2. statistische Fehler Messreihe Messung t i [s] Arithmetisches Mittel Mittleres Schwankungsquadrat der Einzelmessung (Varianz) Mittler Fehler des arithmetischen Mittels 1 x = N 2 σ σ M N x i i= 1 1 N = N 1 = N i= 1 ( ) 2 x i x N 1 ( ) 2 ( 1) xi x N i= 1 Messreihe : i x i arithmetischer 1 5 Mittelwert x = ( ) = 14, 2 Standardabweichung der Einzelmessung σ x = {( 2,2) + ( 4,2) + ( + 5,8) + ( + 0,8) + ( + 1,6 ) + } = 4, Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts σ M σ x = N 4,5 = = 2,25 5 x = 14,2 ± 2,25

18 Grafische Darstellung der Messreihe x ± σ M x i ±σ Zur Natur der Messfehler Wie nah sind wir dem "wahren" Wert? systematischer und statistischer Fehler gehen ein Quelle : Demtröder

19 MECHANIK Bewegungslehre (Kinematik) Gleichförmige Bewegung Beschleunigte Bewegung Kräfte Geschwindigkeit Geschwindigkeit v ist das Verhältnis des zurückgelegten Weges s zur dazu benötigten Zeit, t. s[m] s[m] t s s 10 v = = t 2 m s = 5 t[s] m s v s lim = t 0 t = ds dt t[s] Die Geschwindigkeit ist die Ableitung des Ortes nach der Zeit

20 Die Beschleunigung Die Änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit nennt man Beschleunigung. v[m/s] Auch die Beschleunigung ist ein Vektor. r v r a = lim t 0 t = d r v m dt s 2 dv a = und dt ds v = dt a = d 2 s dt t[s] a [ m ] 2 s Die gleichförmig beschleunigte Bewegung a a ( t ) = a v [ m s ] v 0 s[ m ] s 0 t[ s] t[ s] t[ s] v ( t ) = t 0 a dt v ( t ) = a t + v t a s ( t ) = t + v 0 t s 0 0 ( a t ) s ( t ) = + v 0 0 dt

21 In der Natur vorkommende Geschwindigkeiten Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) : Schallgeschwindigkeit : Wasserstoff bei T=300K (im Mittel) : Elektronen in der Fernsehröhre : m / s m / s m / s m / s Schuss aus einer Gaspistole :?