Was ist Physik? Das Studium der uns umgebenden Welt vom Universum bis zum Atomkern, bzw. vom Urknall bis weit in die Zukunft, mit Hilfe von wenigen Grundprinzipien. Diese gesetzmäßigen Grundprinzipien werden durch eine Mischung von experimentellen Beobachtungen der Naturvorgänge und theoretischen Modellen erhalten und überprüft.
Elementäre Bausteine 10-5 m = 10 micron 1m Blutzelle 1673 D.N.A. 1953 Atom 1800 Elektron 1897 10-8 m = 10 nanometer 10-10 m = 0.1 nanometer Photon 1900 Atomkern 1911 10-15 m = femtometer Quarks und Gluonen 1964
Physikalische Methode Natur: komplexe Phänomene Experiment: Gezielte Frage beantworten; Isolierung des Wesentliches; Kontrollierbare Bedingungen; Variation von physikalische Variabelen; Meßverfahren mit Meßfehler; Reproduzierbarkeit Theorie: Einfache elementare Bausteine; mathematische Gesetze; Modelle Deduktive Methodik: Einzelergebnisse-> Theorie Induktive Methodik: Theorie -> Vorhersage Experimentelle Beobachtung Theoretische Beschreibung Experimentelle Überprüfung Theoretische Vorhersage
Zwei Beispiele Klassischen Physik Galilei (1564-1642) Neugier Experimentelle Beobachtung Theoretische Beschreibung Experimentelle Überprüfung auf kontrollierbare Weise Theoretische Vorhersage Klassische Mechanik Newton (1642-1727)
Relativitätstheorie I. Newton (1642-1727) Klassischen Mechanik Experimentelle Beobachtung c = const. Aether Beschreibung Experimentelle Überprüfung durch Michelson und Morley (1881) Theoretische Vorhersage c = const. Relativitätstheorie A. Einstein 1905
Beziehungen zwischen Physik und Nachbarwissenschaften Astrophysik Geologie Astronomie Physik Chemie Biophysik Biologie Mathematik Medizin Beziehungen zwischen Physik und Gesellschaft Technologie Physik Methodik Philosophie
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Meßverfahren Messen: quantitative Erfassen einer meßbaren Größe durch Vergleich mit einer Einheit. Galileo Galilei (1564-1642) Quantitativ Erfassen: objektiv, kontrolliert, bewertet Meßbarkeit: unter definierten Bedingungen wiederholbare Ergebnissen. Einheit: Maßstab mit eine Dimension oder andere Einheit Physikalische Große = Maßzahl x Einheit
Das Messen hat eine bestimmte Genauigkeit:Meßfehler Messen sollte reproduzierbar sein in der geforderten Genauigkeit. Messungen brauchen ein bestimmte Genauigkeit. Je genauer ein Messung ist, desto größer ist der technische Aufwand Die exakte Bestimmung von physikalische Großen ist unmöglich, da auch der Maßstab einen Meßfehler hat. Wieviel Maßeinheiten braucht man? Seit 1972: mks-system, mksa-system oder SI-System Länge der Meter m Masse das Kilogramm kg Zeit die Sekunde s elektr. Strömstärke das Ampère A Stoffmenge das Mol mol Temperatur das Kelvin K Lichtstärke die Candela cd Vorher cgs-system cm, g, s Oft: Kalorie, Millibar, Liter, Stundenkilometer etc...
Beispielen physikalische Meßgroße beim Hausarzt: Gewicht (kg) Länge (m) Blutdruck (Kilopascal = 100 kg m -1 s -2 ) Herzfrequenz (Hertz =s -1 ) Lungvolume (Liter=10-3 m 3 ) Petta P Terra T Giga G Mega M Kilo k Milli m Mikro µ Nano n Pico p Femto f Atto a Größenordnungen im der Physik 10 15 10 12 10 9 10 6 10 3 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 Länge [m] Lichtjahr Erde-Sonne Erdradius Mensch Zeit [s]masse[kg] Mensch Neutron Fliege Atom Cs Bakterie Atomkern Elektron Kernreaktion Mensch
Physikalisch Rechnen: Mathematische Gleichung: y =ax + b Physikalische Gleichung:y[X]=a[Y].x[Z] + b[x] [X],[Y],[Z] sind Maßeinheiten y,a,x,b, sind Meßwerte (Maßzahle) Die Gleichung muß getrennt stimmen für die Meßwerten und die Maßeinheiten. So muß: [Y][Z] = [X] und y = ax +b sein Beispiel: Zurückgelegter Weg = Geschwindigkeit. Zeit + Anfangsort R[m] =v[m/s]. t[s] + R 0 [m] R[km]= v[m/s]. t[s] + R 0 [km]
Meßfehler: Beispiel Temperaturmessung (viermal): 37.4, 37.5, 37.4, 37.3 (alle in C) Mittelwert: T = 1 n n T i i= 1 (37.4+ 37.5+ 37.4+37.3)/4= 37.4 C Streubreite = 0.2 C max( T T i j ) Standardabweichung σ: σ 2 = n i i= 1 n ( T T ) 1 2 = 2 (0.1) 2 3 = 0.08
Die Normalverteilung Voneinander unabhängige Messungen einer Größe x gruppieren sich für n um den wahrscheinlichsten Wert µ entsprechend einer Gauss schen Glockenkurve G(x) Viele naturwissenschaftliche Vorgänge lassen sich durch die Normalverteilung entweder exakt oder wenigstens in sehr guter Näherung beschreiben (vor allem Prozesse, die in mehreren Faktoren unabhängig voneinander in verschiedene Richtungen wirken) Die Normalverteilung (Gauss sche Glockenkurve) ist eine symmetrische Verteilung. Ihre Form ist durch den Mittelwert µ und die Streuung σ eindeutig festgelegt f (x) 0.04 0.03 n = 100 0.02 0.01 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 x G( x) = 1 e σ 2π 1 2 2 x µ σ µ ist der Mittelwert und σ die Standardabweichung.
Meßwerten werden oft graphisch dargestellt. Richtig skaliert v [m/s] x [m] t [s] t [s] Falsch skaliert v [m/s] v t [s] t [s]