Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker

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1 RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker Prof. Dr. W. Meyer 17. April 2014

2 Organisatorisches Vorlesung Prof. Dr. Werner Meyer NB 2/135 Sekretariat: Übungen: Hörsaal: Frau D. Klobes NB 2/131 J. Herick & A. Berlin NB 2/28 Tel: Herr Nowak HNB 1 Anruf von Außen Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 2

3 Organisatorisches Übung Vorlesung: Donnerstags von Uhr im Hörsaal HNB 2 Übungen: Mittwoch Gruppe A Uhr NB 5/158 Gruppe B Uhr NB 6/173 Donnerstag Gruppe C 9-10 Uhr NB 2/158 Gruppe D Uhr NB 3/99 Ausgabe Donnerstags auf unserer Homepage Abgabe eine Woche später; am Anfang der Vorlesung Ausgabe Abgabe Besprechung Anwesenheitsübung 23.4./24.4. Übungszettel /8.5. Übungszettel /15.5 Übungszettel /22.5. Übungszettel /5.6. Übungszettel /26.6. Übungszettel /3.7. Übungszettel / folgende Termine fallen aus, auch finden in diesen Wochen keine Übungen statt: 1.5. / / / Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 3

4 Organisatorisches Bonus Das Kriterium für den Erhalt der Kreditpunkte ist eine bestandene Klausur, die in der letzten Vorlesung stattfindet ( :00 st. - 12:00 Uhr) Zum Bestehen der Klausur müssen mindestens 50 % der Klausurpunkte erreicht werden. Es ist möglich 10 % der Klausurpunkte durch die Übungen zu erhalten. in der Übung für die Klausur ab 50 % 1 %.. ab 90 % 9 % ab 95 % 10 % Um Anspruch auf den Bonus haben zu können, muss mindestens zweimal in den Übungen vorgerechnet werden! Des Weiteren werden nur Übungszettel gewertet, die handschriftlich verfasst wurden. Es gibt zu dieser Veranstaltung keinen Blackboard-Kurs. Alle Informationen zur Vorlesung, sowie die Übungsblätter findet ihr unter Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 4

5 "In der Wissenschaft beginnt alles Neue damit, dass jemand brummt Hmmm... ist ja komisch." Isaac Asimov Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 5

6 Was ist Physik? Die Physik gehört zu den Naturwissenschaften und versucht grundlegende Phänomene und Eigenschaften der Natur quantitativ zu beschreiben. Sie befasst sich mit der gesamten, unbelebten Materie im Universum. Die Naturwissenschaften werden insbesondere von der Neugier des Menschen angetrieben, die Welt um sich herum zu verstehen. Damit teilen sich die Disziplinen der Naturwissenschaften, der Philosophie und der Religionen dieselben grundlegenden Fragen. Naturwissenschaften Frage Philosophie?? Religion Antwort 1 Antwort 2 Antwort 3 Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 6

7 Warum sollte man sich mit Physik beschäftigen? Viele technische Berufe bauen auf physikalische Prinzipien auf. Die Physik gibt dabei Wege vor und zeigt Grenzen auf, die zu beachten sind. Bsp. Brückenbau, Raumfahrt, Schiffbau, Kernenergie,... Im Alltag helfen uns physikalische Kenntnisse, gewisse Situationen besser einzuschätzen zu können. Bsp. elektrischer Strom, Musizieren, Umgang mit Feuer,... Kenntnisse in Physik schützen uns auch vor irreführenden Informationen. Bsp. Schwarze Löcher am CERN Weltuntergang,... Physik ist überall zu finden!! Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 7

8 Entwicklung der Physik Frühzeit: Griechen: ca. 17. Jh.: Lehre der Natur Keine weitere Unterteilung. Es war die Lehre aller Dinge, die mit den Sinnesorganen zu erfassen waren. Auch hier bestand schon der Drang zu Vereinfachungen. Erste Ansätze Atome (unteilbar) als Bausteine der Materie. Bis dahin gab es 4 Elemente: Erde, Wasser, Luft, Feuer. Beginn der systematischen Erforschung der Natur Naturwissenschaften Abtrennung: Biologie lebende Materie Chemie stoffliche Veränderungen der Materie Geologie Erforschung der Erde Astronomie Erforschung des Kosmos Physik Erforschung der unbelebten Welt, Grundgesetze, Wechselwirkungen und Kräfte der Materie Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 8

9 Berufswahl Nach Richard Feynman (Experimentalphysiker) erfolgt die Abspaltung in verschiedene Fachrichtungen beim Betrachten eines Eimer Wassers Interesse an Maße Woher H 2 O Lust an Reaktionen Beruf Geodät Geologe Chemiker Wunsch nach einem Mikroskop Pantoffeltiere Pantoffeltiere umbringen Aufbau der Materie Biologe Pharmazeut Atom-/ Kern-/ Elementarteilchenphysiker Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 9

10 Wie geht man in der Physik vor? Physik gehört zu den Erfahrungswissenschaften. Die reine Beschreibung (Phänomenologie) der Natur ist aber noch keine Physik. Die Physik arbeitet quantitativ und analytisch, d.h. Vorgänge oder Zustände werden mit objektiven Messmethoden gemessen und analysiert. Achtung: Sinnesorgane sind nicht immer gute Messinstrumente! Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 10

11 Wie geht man in der Physik vor? Physik gehört zu den Erfahrungswissenschaften. Die reine Beschreibung (Phänomenologie) der Natur ist aber noch keine Physik. Die Physik arbeitet quantitativ und analytisch, d.h. Vorgänge oder Zustände werden mit objektiven Messmethoden gemessen und analysiert. Achtung: Sinnesorgane sind nicht immer gute Messinstrumente! Die Flächen A und B sind in der Farbe und der Helligkeit identisch. Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 10

12 Wie geht man in der Physik vor? Physik gehört zu den Erfahrungswissenschaften. Die reine Beschreibung (Phänomenologie) der Natur ist aber noch keine Physik. Die Physik arbeitet quantitativ und analytisch, d.h. Vorgänge oder Zustände werden mit objektiven Messmethoden gemessen und analysiert. Achtung: Sinnesorgane sind nicht immer gute Messinstrumente! Man beginnt zunächst mit genauen Beobachtungen und stellt eine Hypothese auf. Die Hypothese wird durch zahlreiche und sorgfältige Experimente geprüft. Zeigen mehrere, möglichst unabhängige Experimente widerspruchsfrei die Richtigkeit der Hypothese, so wird diese zu einer Theorie. Experiment Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 10

13 Wie beschreibt man die Physik? Zur quantitativen Beschreibung benötigen wir wohldefinierte physikalische Größen (z.b. Länge und Zeit) dazu Maßeinheiten (hier Meter [ m ] und Sekunde [ s ]) Wir messen Maßzahlen für die jeweilige phys. Größe durch den Vergleich mit Standards [Einheit] Phys. Größe = Zahlenwert Einheit z.b. 3 Länge = 8,95 m z.b. 4 Zeit = 9,56 s 3 Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 11

14 Wie beschreibt man die Physik? Zur quantitativen Beschreibung benötigen wir wohldefinierte physikalische Größen (z.b. Länge und Zeit) dazu Maßeinheiten (hier Meter [ m ] und Sekunde [ s ]) Wir messen Maßzahlen für die jeweilige phys. Größe durch den Vergleich mit Standards [Einheit] Phys. Größe = Zahlenwert Einheit z.b. 3 Länge = 8,95 m z.b. 4 Zeit = 9,56 s 3 Weitsprung-Rekord: Mike Powell, 1991 Tokio m-lauf-rekord: Usain Bolt, 2009 Berlin Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 11

15 Wie beschreibt man die Physik? Zur quantitativen Beschreibung benötigen wir wohldefinierte physikalische Größen (z.b. Länge und Zeit) dazu Maßeinheiten (hier Meter [ m ] und Sekunde [ s ]) Wir messen Maßzahlen für die jeweilige phys. Größe durch den Vergleich mit Standards [Einheit] Phys. Größe = Zahlenwert Einheit z.b. 3 Länge = 8,95 m z.b. 4 Zeit = 9,56 s Damit sind wir prinzipiell in der Lage zu messen, wann sich die Feder wo befindet. Achtung: Die Feder ist ausgedehnt und unregelmäßig. Daher betrachten wir bei der Messung des Ortes, als Funktion der Zeit, den Schwerpunkt der Feder. 3 Weitsprung-Rekord: Mike Powell, 1991 Tokio m-lauf-rekord: Usain Bolt, 2009 Berlin Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 11

16 Maßeinheiten SI-System Das SI-System ist ein international anerkanntes Maßsystem. SI steht hierbei für Système international d unités. Es beinhaltet sieben physikalische Grundgrößen, aus denen sich alle anderen Einheiten ableiten lassen. Diese Grundgrößen lauten: Dimension Einheit Einheitszeichen Länge Meter m Masse Kilogramm kg Zeit Sekunde s Temperatur Kelvin K Stromstärke Ampere A Stoffmenge Mol mol Lichtstärke Candela cd ebener Winkel Radiant rad Raumwinkel Steradiant sr Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 12

17 Maßeinheiten Präfixe Häufig verwendete Vorsätze für Maßeinheiten, sogenannte Präfixe, dienen dazu sehr große, bzw. sehr kleine Werte übersichtlich darzustellen. Hier in der Vorlesung und in den Übungen werden wahrscheinlich die Folgenden ausreichen: Präfix Aussprache Exponentialschreibweise ausgeschrieben f Femto , p Pico , n Nano , µ Mikro , m Milli , c Zenti , d Dezi , k Kilo , M Mega , G Giga , T Tera , Sprich: Besäße man 12Ge, wäre man zwölffacher Milliardär! Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 13

18 Maßeinheiten Beispiele Raum Der geometrische Raum Proton m = 1 fm Atomkerne m = 10 fm Atome m = 100 pm = Å Großes Molekül 10 8 m = 10 nm Dreijähriges Kind Matterhorn Virus 10 7 m = 0,1 µm Erdradius 1 m 4477 m 6, m Große Halbachse der Erdbahn 1, m = 0,15 Tm Durchmesser der Milchstraße Hypothet. Radius des Universums 9, m m 42 Zehnerpotenzen 1 Å = m (alt) 1 Lichtjahr = 9, m 1 parsec = 3,26 Lichtjahre Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 14

19 Maßeinheiten Beispiele Zeit Zeitskala Alter unseres Universums Alter der Erde (ungefähr) Mittlere Lebensdauer eines Menschen Dauer eines Tages Periode einer Ultraschallschwingung Periode einer Molekülschwingung Periode einer Atomschwingung Zeit, die ein Lichtstrahl zum Durchqueren eines Atoms benötigt Periode einer Kernschwingung Zeit, die eine elektromagnetische Welle braucht, um einen Weg zurückzulegen, der gleich der linearen Ausdehnung eines Elementarteilchens ist s s 10 9 s 8, s 10 5 s s s s s s Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 15

20 Maßeinheiten Beispiele Masse Masse Universum kg Galaxien kg Sonne kg Erde kg Tanker 10 8 kg Mensch 10 2 kg Bakterien kg DNA-Molekül kg Proton kg Elektron kg Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 16

21 Grundgebäude der Physik Thermodynamik Elektrodynamik S N Relativitätstheorie Mechanik E=mc 2 Quantenphysik Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 17

22 Mechanik Die Mechanik ist die Lehre von den Bewegungen (einschl. der Ruhezustände) der Körper im Raum. Der Raum ist der uns bekannte 3-dimensionale Raum (Länge, Breite, Höhe). Diese Bewegungen wollen wir quantitativ beschreiben und zu diesem Zweck müssen wir a) den 3-dimensionalen Raum ausmessen können b) und zur Beschreibung des zeitlichen Verlaufs auch die Zeit messen Der Körper ist in der Regel ausgedehnt wie beim Experiment mit der Feder und hat noch weitere Bewegungsgrade, wie z.b. die Rotation. Deshalb werden wir uns zunächst den realen Körper idealisiert in einem Massepunkt vorstellen. Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 18

23 Mechanik - Massepunkt Wir werden später den Schwerpunkt definieren und das folgende Modell rechtfertigen: Modell: Massepunkt "Die gesamte Masse des Körpers wirkt so, als wäre sie in einem Punkt vereinigt. Dieser Punkt ist zugleich sein Schwerpunkt." Dieses Modell bedeutet eine Beschränkung des Problems auf das Grundsätzliche und äußere Eigenschaften wie Volumen und Form werden vernachlässigt. Der Körper wird als mathematischer Punkt angesehen, der insbesondere keine Rotationsbewegungen ausführen kann. Feinheiten können unter Umständen später berücksichtigt werden. Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 19

24 Aber was ist die Masse eines Körpers? Die Materie um uns herum ist aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut } Proton (p) Nukleon mit der Masse m n = 1, kg Neutron (n) + Elektron (e) m e = 0, kg d.h. 1 kg Materie entspricht 1 1, Nukleonen (+ Elektronen) Wir kennen den Zusammenhang zwischen Energie und Masse Und was ist Energie? Energie = Masse c 2 [ N m] = [ kg] [ m s ] 2 Dazu später... Zumindest: Jede Art von Energie kann sich in Masse kondensieren und umgekehrt. Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 20

25 Was sind Körper noch? Neben der Eigenschaft der Masse haben Körper noch weitere Eigenschaften. Sie sind immer ausgedehnt, d.h. die Masse ist über ein endliches Volumen verteilt entweder starr oder deformierbar Körper starre Körper (ausgedehnt) deformierbar Körper (ausgedehnt) Prof. Dr. W. Meyer Physik für Nicht-Physikerinnen und Nicht-Physiker 21