Experimentalphysik für Chemie-Bio-Ingenieure Life-Science Ingenieure

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1 Experimentalphysik für Chemie-Bio-Ingenieure Life-Science Ingenieure Prof. Dr. Reinhard Neder Department Physik Kristallographie und Strukturphysik

2 Prozesssteuerung / Überwachung Neuentwicklung Von der Kaffeebohne zum Kaffeepulver Schälen der Rohfrucht Trocken Nass Einfluss auf Endprodukt???? Kommunikation mit anderen Fachrichtungen! Entfernen des Pergamenthäutchens Rösten

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4 Prozesssteuerung / Überwachung Neuentwicklung Von der Kaffeebohne zum Kaffeepulver Schälen der Rohfrucht Trocken Nass Einfluss auf Endprodukt???? Kommunikation mit anderen Fachrichtungen! Entfernen des Pergamenthäutchens Rösten Mahlen

5 Aufgabengebiet: Mischung/ Transport von Lösungen Bleiben Mischungen erhalten? Transportieren sich alle Bestandteile gleichermaßen?

6 Rene Descartes (Cartesius) Mathematiker, Philosoph kartesisches Koordinatensystem Potenzschreibweise 1. Man hüte sich vor jeder Übereilung und vorgefassten Meinung und halte nur das für wahr, was man wirklich eingesehen hat. 2. Man zerlege jedes Problem in einzelne Teilprobleme, damit die Lösung möglichst erleichtert wird. 3. Man beginne immer mit dem Einfachsten, welches leicht einzusehen ist, und gehe schrittweise zu Komplizerterem vor.

7 Zu Descartes Satz 1. Man kann aus dem Skelett einer Eidechse nicht auf das Skelett eines Dinosauriers schliessen. Ein doppelt so großes Tier wiegt viermal so viel! Braucht dickere Knochen wirkt daher plumper Eidechse <==> Elefant

8 Grundsätzliche Fragestellungen beim Betrieb einer Anlage Wie sieht ein System aus? Messung Warum passiert etwas? Kräfte Wie reagieren die Teile miteinander? Energie Physik Bestrebt ein Verständnis zu entwickeln für Vorgänge Erkenntnis beruht auf Beobachtung, Messungen und Experimenten Daraus Entwicklung allgemeingültiger Gesetze Oft in der Sprache der Mathematik

9 Bücher: Paul A. Tipler Physik Für Wissenschaftler und Ingenieure Spektrum, 2. Auflage 2007 wesentliche Grundlage der Vorlesung D. Meschede Gehrtsen Physik Springer, 22 Auflage 2004 das umfassende Physik Buch für das Grundstudium David Halliday, Robert Rasnik, Jearl Walker Halliday Physik, Bachelor Edition Wiley-VCH, 1. Auflage 2007 etwas zu einfach, didaktisch sehr gut Ekberg Hering, Rolf Martin, Martin Stohrer Physik für Ingenieure Springer, 10. Auflage

10 1. Mechanik Bewegung von Körpern Kräfte zwischen Körpern Energie

11 1.1 Maßeinheiten Messende Beobachtung als Grundlage des Verständnisses Beispiel Fall eines Balls Messgrößen: Höhe und Zeit Eine Messgröße in der Physik hat stets die Form: Maßzahl * Dimension 1 m 2,2 s 70 kg

12 Definition eines Längenmaßes: Ägypten: Heinrich I. Problem: Definition per Körpermaße England 1101 Wessen Körpermaße Wie auf andere Personen/Messungen zu übertragen

13 Definition eines Längenmaßes: Jacob Köbele: Naturmaß Fuß: "16 Männer groß und klein, die nach einer Messe der Reihe nach aus der Kirche kommen, stellen ihre Füße hintereinander. Der sechzehnte Teil der Gesamtlänge soll dann ein Fuß sein." (aus Köbele, "Geometrei", Frankfurt 1575) Erste Definition mit übertragbarer Messvorschrift Ludwig XVI 1795 Definition des Meters: Teil der Entfernung von Nordpol bis zum Äquator

14 Definition eines Längenmaßes: 1. Generalkonferenz für Maße und Gewichte meter ist die Länge eines expliziten Stabes 11. Generalkonferenz für Maße und Gewichte meter ist das ,73 fache der Wellenlänge des Lichtes, das von einem Krypton-86- Atom ausgesandt wird (100 fach genauer) 17. Generalkonferenz für Maße und Gewichte meter ist die Entfernung, die Licht im Vakuum in 1/ s zurücklegt Das Meter definiert über eine Naturkonstante = Lichtgeschwindigkeit und die Zeit ==> abgeleitete Einheit!

15 Definition andere Grundlegender Einheiten: Definition der Sekunde: 1 Sekunde ist die Dauer von Schwingungen des Lichtes einer festgelegten Wellenlänge, welches vom Cs-133 Atom ausgesandt wird Die Sekunde definiert über eine Naturkonstante Definition des Kilogramms: 1 Kilogramm ist die Masse des in Paris aufbewahrten Pr-Ir Standards Das Kilogramm definiert über einen Normkörper unbefriedigend, da eventuell Veränderungen unterlegen

16 Messung Stets durch Vergleich mit einem Standard Kann sein Naturkonstante oder ein normierter Vergleichsmaßstab Achtung: Eine Messung ist niemals beliebig genau Zufällige Fehler: unvorhersagbare, gleichermaßen zu große wie zu kleine Werte Reaktionszeit schwankt Meterstab liegt leicht anders an Durch Wiederholung zu minimieren Systematische Fehler: immer auftretender Fehler in die gleiche Richtung Reaktionszeit ist langsamer unter Alkoholeinfluss Meterstab wird schief betrachtet Nur durch ein anderes Experiment zu finden

17 Darstellung großer / kleiner Zahlenwerte Wert Exponent Name Vorsatz Beispiel bei Gewichten 1 milliardenstel 10-9 Nano n ng 1 millionenstel 10-6 Mikro μ μg 1 tausendstel 10-3 Milli m mg g tausend 103 Kilo k kg millionen 106 Mega M Mg milliarden 109 Giga G Gg Weitere Vorsätze ==> Lehrbücher

18 Einige typische Zahlenwerte: Längen m Zeiten s Massen kg Maus Mensch Haus Mt. Everest Erde Reaktionszeit Herzschlag Vorlesung Tag Maus Mensch Auto Erde Als erste Abschätzung oftmals ausreichend!

19 1.1.1 Umrechnung von Einheiten

20 Zusammenfassung Messen: Vergleich mit einem geeigneten Standard. Berücksichtigung von Messfehlern! Einheiten: Jede Messgröße besitzt Zahlenwert * Einheit Längen m Zeiten s Massen kg Umrechnen: Stets mit dem Faktor EINS rechnen

21 1.2 Bewegung in einer Raumdimension

22 Zeit / Ort Diagramm einer Aufzugfahrt auf ab Ort Geschwindigkeit Beschleunigung Zeit Zeit

23 Lösungsstrategieen 1. Verstehen Sie das Problem? Beschreiben Sie in eigenen Worten Notieren Sie die bekannten/ vorgegebenen Daten Zeichnen Sie das Problem auf 2. Stimmen die Einheiten? Mischen Sie keine Einheiten wie km, m, mm Wandeln Sie gegebenenfalls um Beide Seiten einer Gleichung müssen die selben Einheiten haben! 3. Ist die Antwort plausibel? Passt die Größenordnung des Ergebnisses? Stimmt das Vorzeichen? 4. Lernen Sie Kurven zu lesen Achten Sie auf die Einheiten an den Achsen! Welche Information soll die Kurve ausdrücken? Ort gegen Zeit Geschwindigkeit gegen Zeit