Einführung in die Experimentalphysik für Pharmazeuten Friedrich Simmel e-mail simmel@lmu.de Experimentelle Vorlesungsbegleitung: Karin Beer, Christian Hundschell Vorlesung: Montags 14.15 bis 15.45, Liebig HS Übung : Montags 13.15 bis 14.00, Butenandt HS Klausur: ~ am 15. Februar 2007 von 14.00 bis 15.30 Web-Seite zur Vorlesung : http://www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/wise_06_07/pph 1
INFO: Physik-Praktikum für pharmazeutische Studiengänge im Sommersemester 2007 Organisation: Dr. Karsten Jessen Schellingstr. 4, 80799 München karsten.jessen@physik.uni-muenchen.de Informationen (ab Februar) unter: http://www.physik.uni-muenchen.de/studium/praktikum/ - Termine - Online-Anmeldung Meldeschluss 31. März - Aktuelles Schellingstr.4 2
Physik-Praktikum für pharmazeutische Studiengänge im Sommersemester 2007 Organisation: Dr. Karsten Jessen Schellingstr. 4, 80799 München karsten.jessen@physik.uni-muenchen.de erforderlich für Teilnahme: - Physik-Vorlesung (diese hier) - Online-Anmeldung - Einführungsveranstaltung 3
Inhalt : 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 4
Literatur: 430 Seiten, ca. 30 Euro 720 Seiten, ca. 54 Euro 5
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Die wichtigsten methodischen Entwicklungen in der Bioanalytik Physikalische Phänomene sind Grundlage vieler bioanalytischer Techniken Quelle : Lottspeich & Zorbas 7
Zur Methode der Physik 1. Empirische Wissenschaft stellt Fragen an die Natur => Experimente 2. Exakte Wissenschaft 2 ' $ i h *! ( x, t) = &) h ( + V ( x) #! ( x, t) * t % 2m " Beschreibung der Natur mit Hilfe der Mathematik 8
Aristoteles Bewegungslehre Ein Körper bewegt sich nur bei ständiger Krafteinwirkung. Je größer die Kraft, desto größer die Geschwindigkeit. falsch Kraft bedeutet Bewegungs- oder Wirkungsvermögen. Aristoteteles 384 322 v. Chr. Ruhe und Bewegung sind wesensmäßig zu unterscheidende Zustände. 9
"Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosopie"" Newtonsche Mechanik : Erste moderne Theorie Theorie Hypothese Experiment Erkenntnis Galileo: einer der ersten modernen Experimentatoren 10
Konkurrenz der Weltbilder (Theorien) grafische Darstellung von 1750 jede der abgebildeten Theorien hatte den Anspruch, den Lauf der Planeten korrekt zu beschreiben und vorhersagen zu können 11
Physikalische Größen, Einheiten 12
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) 13
Physikalische Größen, Einheiten Schreibweisen: - physikalische Größen werden kursiv geschrieben - Einheiten werden nicht kursiv geschrieben [...] bedeutet Einheit von Beispiel: [v]=m/s Die Einheit der Geschwindigkeit ist Meter/Sekunde 14
Die Basiseinheiten (SI-Einheiten) 15
Die Basiseinheiten (SI-Einheiten) SI: système international d unités m Elektrizitätslehre Wärmelehre 16
Einheit der Länge Das Urmeter von 1876 Seit 1983 ist die Lichtgeschwindigkeit auf c 0 =299 798 458 m/s festgelegt. Relative Unsicherheit 10-14 17
Größenordnungen in der Physik n 10 Logarithmische Skala 18
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 TM Virus Virus Phage Moleküle Bakterium 1µm Goodsell, 1993 19
Vorsilben (SI - Vorsätze) zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen 20
top-down Mikrostrukturierung Nanowissenschaft Chemie bottom-up 21
Einheit der Zeit Früher : 1 sec=1/86400 Tag (Sonnensekunde) Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch. Relative Unsicherheit 10-14 22
Zeitskalen von Ereignissen sec 10 18 Alter des Universums 10 17 Leben auf der Erde 10 14 Erste Menschen 10 11 Alter der Pyramiden 10 7 1 Jahr = 3,15 10 7 s, 10 5 1 Tag = 8,64 10 4 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 (MHz) 10-9 Licht legt 30cm zurück 10-12 Periode einer Molekülschwingung 10-15 Schnelle chemische Reaktionen 10-18 Licht legt Atomdurchmesser zurück 10-23 Licht legt Kerndurchmesser zurück 23
Einheit der Masse Das Urkilogramm Relative Unsicherheit 10-9 ursprüngliche Definition: Masse von 1 Liter Wasser maximaler Dichte (bei 3.98 C) 24
alte Apothekerwaage Analysenwaage Genauigkeit 0.0001 g 25
Definition Stoffmengeneinheit Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012 kg des Kohlenstoffnuklids 12 C enthalten sind. Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist die Avogadro-Konstante N A = 6,022 10 23 /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 Atommassenzahl 12 zugeordnet! 3 1 10 kg 27 N A mol ( 12 )! Atomare Masseneinheit (amu) =u= m C = = 1,66053" 10 kg 12 26
a mole 27
Avogadro und Loschmidt Lorenzo Romano Amedeo Carlo Av ogadro (* 9. August 1776 in Turin; 9. Juli 1856 in Turin) Johann Josef Loschmidt (* 15. März 1821 in Putschirn bei Karlsbad; 8. Juli 1895 in Wien) Molekularhypothese: gleiche Volumina von Gasen enthalten unter gleichen Bedingungen die gleiche Anzahl von Teilchen u.a. Bestimmung der Größe von Luftmolekülen und 1865 erstmalige Schätzung der Avogadrozahl ( Loschmidtzahl) erstmalige genaue Bestimmung: Perrin (1914) 28
Lichtstärke: Candela Ein Candela ist die Lichtstärke (Lichtstromdichte) einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 1012 Hertz, entsprechend einer Wellenlänge λ von ca. 555 nm, mit einer Leistung von 1/683 Watt pro Steradiant (Raumeinheitswinkel) aussendet. Wie bei allen photometrischen Größen bestimmt die Hellempfindlichkeitskurve V(λ) die physiologische Abhängigkeit von der Wellenlänge. Für die gewählte Wellenlänge gilt: V(555nm) = 1. Retina Im Gegensatz zur Intensität (= Energiefluss in Watt/m 2 )) Ist die empfundene Lichtstärke von den physiologischen Charakterisitika des Auges abhängig. 29
Rechnen mit physikalischen Größen 30
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Messgenauigkeit und Messfehler 1. systematische Fehler : z.b. durch Messapparatur bedingt 2. statistische Fehler Messreihe Messung 1 2 3 4 5 x i 12 8 20 15 16 32
Messgenauigkeit und Messfehler 1. systematische Fehler : z.b. durch Messapparatur bedingt 2. statistische Fehler Messreihe Messung 1 2 3 4 5 x i 12 8 20 15 16 Arithmetisches Mittel Mittleres Schwankungsquadrat der Einzelmessung (Varianz) x = # 2 = 1 N N! i= 1 x i 1 N! N " 1 i= 1 ( ) 2 x i " x Mittlerer Fehler des arithmetischen Mittels $ M = N # 1 ( N " 1) N! i= 1 ( ) 2 x " x i 33
Eichen und Kalibrieren Eichung (Wikipedia) Eichung ist die vom Gesetzgeber vorgeschriebene Prüfung eines Messgerätes auf Einhaltung der zugrundeliegenden eichrechtlichen Vorschriften, insbesondere der Eichfehlergrenzen. Mit einem Stempel wird die Einhaltung für die Gültigkeitsdauer der Eichung bestätigt. Eichungen werden in der Bundesrepublik Deutschland von den Landeseichämtern und Staatlich Anerkannten Prüfstellen unter fachlicher Aufsicht durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt durchgeführt. Oder in anderen Worten: eine Eichung ist eine gesetzlich vorgeschriebene und auf nationale Standards rückführbare Kalibrierung. Oft wird der Begriff Eichung fälschlich für Kalibrierung verwandt. So hört man oft vom angeblichen "Eichstrich" an Schankgefäßen (Bierglas), obwohl Schankgefäße von der Eichpflicht ausgenommen sind. Richtig ist "Füllstrich". 34
Eichen und Kalibrieren Kalibrierung (Wikipedia) Die Prüfung von Messgeräten, für die es keine gesetzlichen Vorgaben gibt, stellt eine Kalibrierung dar. Sie ist im Gegensatz zur Eichung keine hoheitliche Aufgabe. Eine interne Kalibrierung ist eine Kalibrierung, bei der alle Messgeräte auf einen firmeninternen oder organisationsinternen Standard genormt werden. Eine rückführbare Kalibrierung ist eine Kalibrierung, deren Referenz ein nationaler Standard ist (z.b. ein Messgerät/Messaufbau der PTB), die gewonnenen Messergebnisse sind folglich auf diesen nationalen Standard rückführbar. Rückführbare Messgeräte werden oft auch als Referenz-Messgeräte bezeichnet. Der Vorteil der auf nationale (und somit in der Regel auch internationale) Standards rückführbaren Messgeräte ist die weltweite Vergleichbarkeit der Messergebnisse. 35
Parallaxenfehler Versuch 36
Messfehler: Maßstab Länge:? 37
Messfehler mit sinnesphysiologischen Ursachen Extremfall: optische Täuschungen Versuch 38
Messreihe : i 1 2 3 4 5 x i 12 8 20 15 16 arithmetischer 1 5 Mittelwert x = ( 12 + 8 + 20 + 15 + 16) = 14, 2 Standardabweichung der Einzelmessung " x = 4 2 2 2 2 {(! 2,2) + (! 4,2) + ( + 5,8) + ( + 0,8) + ( + 1,8) } = 3, 87 1 2 Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts! M! x = N = 3,87 5 = 1,73 x =14,2 ± 1,7 39
Grafische Darstellung der Messreihe x ±! M 20 x i ±! 10 1 2 3 4 5 40
Zur Natur der Messfehler Wie nah sind wir dem "wahren" Wert? Quelle : Demtröder 41
Signifikante Stellen 42
Zusammenfassung Kriterien einer physikalischen Messung 1. reproduzierbar (Vergleichbarkeit von Messungen an verschiedenen Orten und Zeiten) 2. quantitativ (zahlenmäßig in Bezug auf eine Vergleichsgröße, die Maßeinheit) 3. genau (Angabe eines Messfehlers) Grundgrößen der Mechanik : Meter, Kilogramm, Sekunde (MKS) Naturkonstanten Lichtgeschwindigkeit : Avogadro-Konstante: 8 c = 2.998! 10 m/s N A = 6.022" 10 23 mol! 1 Fehlerstatistik 43
Hinweis: Nächsten Montag, 30.10.06, fallen Übung und Vorlesung aus! Weitere aktuelle Infos siehe Webseite 44