Experimentalphysik E1

Transkript

1 Experimentalphysik E1 Prof. Joachim Rädler & Dr. Bert Nickel Paul Koza (Vorlesungsbetreuung) Alle Informationen zur Vorlesung unter : Anmeldung zu den Übungen über das LSF System 18. Okt 2016

2 Inhalte - heute Mechanik Grundlagen der Physik * Weltbild der Physik Theorie und Experiment * Grundgrößen, Normale und Messverfahren * Dimension und Größenordnungen

3 Inhalte Mechanik: Lehre von der Bewegung von Körpern * Mechanik eines Massepunktes Bewegungen, Kräfte, Drehbewegungen, Impuls, Energie, Spezielle Relativitätstheorie * Systeme von Massepunkten, Dynamik starrer Körper * Schwingungen und Wellen * Hydrostatik, Hydrodynamik * Akustik

4 Literatur: W. Demtröder, Experimentalphysik 1 Springer Lehrbuch P. A. Tipler, Physik, Spektrum Akad. Verlag Meschede, Gerthsen Physik, Springer Verlag D.C. Giancoli. Physik, Pearson Studium Bergmann, Schäfer : Lehrbuch der Experimentalphysik R.W. Pohl Mechanik, Akustik und Wärmelehre The Feynman Lectures on Physics, Vol.1, Addison Wesley

5 Mechanik ist überall Extraterrestrische Planeten, LS Bender Meteorologie LS Mayer Nanophysik: E Weig, LS Kotthaus Kraftspektroskopie LS Gaub

6 Forschungsschwerpunkte der Fakultät Physik ² Astronomie & Astrophysik, Kosmologie ² Molekulare Biophysik, Statistische Physik ² Festkörper & Nanophysik ² Hochenergiephysik & Mathematische Physik ² Laserphysik & Quantenoptik ² Meteorologie ² Medizinische Physik ² Didaktik der Physik

7 "Man kann einem Menschen nichts lehren; man kann ihm nur helfen, es in sich selbst zu finden." Galileo Galilei ( ) italienischer Mathematiker, Physiker und Philosoph

8 Richard Feynman Science is a way to teach how something gets to be known, what is not known, to what extent things are known (for nothing is known absolutely), how to handle doubt and uncertainty, what the rules of evidence are, how to think about things so that judgements can be made, how to distinguish truth from fraud, and from show.

9 Antike Naturphilosophie (500 v. Chr. bis 1600) Erkenntnis durch Überlegung und Beobachtung ohne experimentelle Überprüfung! Demokrit: ατοµοσ=unteilbar kleinste Teilchen, τοµε=schneiden. Unendlich viele verschiedene Atome. Aristoteles: Die vier Elemente Erde, Feuer, Wasser, Luft streben ihrem natürlichen Ort zu und kommen dort zur Ruhe. Feuer nach oben, Erde nach unten. Die ungebremste Bewegung am Himmel unterliegt dem nicht und besteht daher aus einem fünften Element der Quintessenz. Ptolemäus: Planetenbahnen umkreisen die Erde auf Epizykeln. Archimedes: Kreisberechnung, Hebelgesetze, Schwerpunkt, Auftrieb.

10 Klassische Physik (1600 bis 1900) Experimentelle Überprüfung von Hypothesen. Beweisen statt Glauben. Explosion des Wissens. Galilei: Fallgesetzte, Koordinatensystem, Astronomie. Kepler: Gesetze der Himmelsmechanik. Newton: Grundprinzipien der Mechanik (träge Masse), Gravitation, Optik (Welle oder Teilchen). Gasgesetze: Atome, Thermodynamik, Dampfmaschinen. Maxwell: Theorie des Elektromagnetismus. Relativistisch korrekt! Ende des 20. Jh. erscheint vielen die Physik als abgeschlossen. Lediglich die Wärmestrahlung und das Michelson-Morley Experiment waren noch nicht verstanden.

11 Moderne Physik (seit 1900) Geht an die Grenze des Vorstellbaren, und darüber hinaus! 2. Explosion des Wissens. Max-Planck ( ): Wärmestrahlung, Energiequantelung und daraus eine völlig neue Physik, die Quantenmechanik (Welle UND Teilchen). Albert Einstein ( ): Quantentheorie, Relativität, Gravitation. und viele mehr...

12 Sir Isaac Newton ( ) erster Theoretiker Galileo Galilei ( ) erster Experimentalphysiker

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

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15 Nach welchem Gesetz fallen Körper? Aristoteles (4. Jahrh. v. Chr.) Erde ist der niedrigste natürliche Ort, also fallen alle Körper, die aus Erde sind, auf die Erde. Schwere Körper, die mehr Erde enthalten, fallen schneller als leichte. Albert von Sachsen (14 Jhr n. Chr.) : v~s Nicole Oresme (14 Jhr n. Chr.) : Leonardo da Vinci (15 Jhr n. Chr.) : v~t Die in gleichen Zeitintervallen zurückgelegten Strecken sind proportional den ganzen Zahlen (1,2,3...) Galileo unter anderen (16 Jhr n. Chr.) : Die in gleichen Zeitintervallen zurückgelegten Strecken sind proportional den ungeraden ganzen Zahlen (1,3,5,...) Galilei führte die ersten systematischen Messungen aus. Sein Trick : Verlangsamung des freien Falls durch schiefe Ebene

16 Zur Messmethode Die menschliche Wahrnehmung ist für physikalische Messungen nur bedingt brauchbar.

17 Messverfahren und Normale Messen heißt immer zwei Größen miteinander zu vergleichen. Für einen einheitlichen, zahlenmäßigen Vergleich werden Standards, sogenannte Normale festgelegt. Der Messvorgang sollte folgende Kriterien erfüllen : Forderungen an eine physikalische Messung: 1. reproduzierbar (Invarianz der Naturgesetze) 2. quantitativ (d.h. zahlenmäßig in Maßeinheiten) 3. genau (unter Angabe eines Messfehlers) Forderungen an ein Normal: Normale müssen mit genügender Genauigkeit, reproduzierbar und mit vertretbarem technischen Aufwand mit zu messender Größen vergleichbar sein. Die menschliche Wahrnehmung ist für physikalische Messungen nur bedingt brauchbar. (siehe Demonstrationen)

18 Griechisches Alphabet

19 Einheit der Masse Heute gültige Definition : Kilogramm [kg] 1 Kilogramm (kg) ist die Masse eines Platin-Iridium-Zylinders, der als Massennormal in Paris aufbewahrt wird. => Relative Messunsicherheit : 10-9 Das Kilogramm ist durch die Masse eines Einheitskörpers festgelegt (Urkilogramm), das in Sevres bei Paris (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) aufbewahrt wird (seit 1889). Eine Kopie des Urkilogramms befindet sich an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Vorarbeiten zu Definition über feste Zahl von Atomen (Si-Einkristall) Das Urkilogramm

20 Atomare Masse Atomphysik und Chemie rechnen mit Atommasseneinheiten Dem Isotop 12 C wird die Atommassenzahl 12 zugeordnet 1 Eine atomare Masseneinheit u = ( 12 m C) 27 = 1, kg Wird auch Dalton (Da) genannt 1 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 = (10) /mol 12 Stoffmengeneinheit (Mol) (Relative Genauigkeit von N A : ) N = nn A N : Teilchenzahl [einheitenlos] n : Stoffmenge [mol]

21 Siliziumkugel als neuer Massestandard? Die Avogadro-Kugel aus dem Silizium-Isotop-28 könnte zur Neudefinition des Urkilogramms herangezogen werden. Abzählen der Atome notwendig

22 Längenmessung Mittelalterliche Längenmaße Fuß, Elle, Klafter Altes Rathaus Regensburg

23 Einheit der Länge 1875 : Das Urmeter (Paris) Wurde so gewählt, dass die Strecke vom Nordpol über Paris zum Äquator 10 7 m beträgt Definition über die Wellenlänge des Krypton- Isotops 86 Seit 1983 i: Lichtgeschwindigkeit auf c 0 = m/s festgelegt. Heute gültige Definition : Meter [m] 1 Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/ Sekunden durchläuft. => Relative Messunsicherheit : 10-14

24 GPS Triangulation mit Radiosignalen

25 Vorsilben (SI - Vorsätze) zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen

26 Massen und Längen im Universum Alter des Universums: 13.7 Mrd Jahre Größe des Universums (ca m) PlanckLänge (ca m) Bildquelle: Sedlmayr