Physik für Elektrotechniker und Informatiker Grundlagenvorlesung 1. & 2. Semester Inhaltsverzeichnis 0. Allgemeine Einführung in das naturwissenschaftliche Fach Physik 0.1. Stellung und Bedeutung der Physik Was ist Physik? 0.2. Rolle des Experimentes, Messen, Maßsysteme 0.3. Physikalische Modelle, Hypothesen, Theorien, Rolle der Mathematik
Was ist Physik? Allgemeine Einführung in das naturwissenschaftliche Fach 0.1. Stellung und Bedeutung der Physik wörtlich (übersetzt): Ursprung, Naturordnung, das Geschaffene Aristoteles 384 324 v. Chr. Folie 1 Hauptziel: Erforschung und Verstehen der grundlegenden Naturgesetze, auf denen alle bekannten physikalischen Phänomene/Erscheinungen beruhen Fundament der Technik: Rein praktisch sind alle technischen Errungenschaften Anwendungen der Physik Historisches: Die griechische Naturphilosophie war der Beginn naturwissenschaftlichen Denkens, der Start zur Entmythologisierung der Natur. Die Natur ist ein sehr komplizierter und zugleich komplexer Mechanismus, den man aber prinzipiell begreifen kann. Es existieren Gesetzmäßigkeiten anstatt undurchschaubares Wissen von Göttern und Dämonen. Die Geschichte der Physik zeigt eine ständige Verbesserung des Verständnisses auf. Jede neue Stufe führt zu einer Vereinfachung und Verringerung der Zahl der Grundgesetzte und Theorien. Seit geraumer Zeit findet eine Physikalisierung anderer Wissenschaftszweige statt. Bsp.: Chemie = Physik der Atomhülle Biologie = Komplex chemischer Reaktionen Chemie der Eiweise (Das soll keineswegs eine Geringschätzung der anderen Wissenschaftszweige darstellen!) Der gegenwärtige Höhenflug der biologischen Wissenschaften, die Entwicklung der Biotechnologie beruhen wesentlich auf der Anwendung physikalischer Methoden, wobei man bisher noch nicht versteht, wie Leben entsteht, was es genau ist, wie es anfängt und aufhört. Jede physikalische Aussage kann überprüft werden durch Wiederholung eines bestehenden Experiments oder durch Hinterfragung einer aufgestellten Hypothese oder Theorie.
Die Physik macht aus der Naturbeobachtung Aussagen und trifft Schlussfolgerungen über Dinge, die nicht einmalig sind, also nicht nur einmal auftreten. Folie 2 Eine ganz wesentliche Errungenschaft physikalischen Vorgehens ist das gezielte Experiment als gezielte Anfrage an bestimmte Aspekte der Natur unter Ausschluss strömender Effekte. Es erfolgt eine Modellbildung zur Vereinfachung und Abstraktion. Mit dem Experiment sehr eng verknüpft sind zwei wesentliche weitere Komplexe: 1. Physikalische Größen, Maßsysteme, Maßeinheiten, Messungen, Messfehler 2. Physikalische Modelle, Hypothesen, Theorien, Mathematisierung Physikalische Beobachtungen müssen quantitativ sein, d.h. in Maß und Zahl angegeben sein. Nur dann sind sie jederzeit nachprüfbar. Alle Beobachtungen müssen auf Messungen beruhen. Bsp.: Es reicht nicht zu sagen: Das Wasser ist warm. Man muss die Temperatur mit einem Thermometer messen. Unsere Sinnesorgane sind empfindlich für Vergleiche. Sie können aber nicht zum absoluten Messen verwendet werden. Darüber hinaus lassen sich unsere Sinnesorgane täuschen.
0.2. Rolle des Experimentes, Messen, Maßsysteme Das Wesen eines Experimentes ist die Messung, der unmittelbare Vergleich zweier Größen Bsp.: Die physikalische Größe Länge hat die Maßeinheit Meter m. Um eine gegebene Länge oder Distanz zu ermitteln, wird diese mit der Messlänge (Maßeinheit) verglichen. Zollstock: Die Distanz beträgt x, yz m Maßeinheiten werden durch Normale oder Standards definiert. Messgeräte müssen regelmäßig an diesen Normalen geeicht, kalibriert, überprüft, verglichen werden. Normale = f (Entwicklungsstand von Wissenschaft und Technik) f (Güte und Genauigkeit der möglichen Messtechnik) Folie 3
Folie 3: Skizze Erdquadrant Skala 1 m 1 Definition: 1 m: Strecke, die Licht im Vakuum in 299.792.458 s zurückgelegt. Damit ist c 0 als Vakuumlichtgeschwindigkeit keine Messgröße mehr und beträgt definitionsgemäß 299.792.458 m s! Definition der s: über die Periodendauer eines bestimmten Überganges des 133 Cs-Atoms Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes, des 9.192631.770-fache Definition des kg: Paris 1kg-Pt-Ir-Zyl. früher: 1 dm³ H 2O bei 4 C angestrebt: Übergang zu Si-Einkristallkugel mit definierten Atomzahlen Anschluss an Längenmaß und atomaren Einheiten
Die 7 Grundgrößen des SI-Systems G = G x G Physikalische Größe = Maßzahl x Maßeinheit Länge l = Meter m Kinematik K Zeit t = Sekunde s Mechanik Masse m = Kilogramm kg Elektr. Stromstärke I = Ampere A ED Temperatur T = Kelvin K Stoffmenge n = Mol mol TD Lichtstärke L = Candela cd Photometrie Alle anderen physikalischen Größen sind abgeleitete Größen. Oft wird abgeleiteten Maßeinheiten ein eigener Name verliehen: Bsp.: (N, J, W, ) Eine Dimensionsanalyse erlaubt die Überprüfung der Richtigkeit beliebig komplizierter Formeln. Links und rechts des Gleichheitszeichens muss die gleiche Dimension stehen. Der Messprozess wird wesentlich durch zwei Begriffe charakterisiert: o Messgenauigkeit Wie groß ist der maximale Messfehler? o Reproduzierbarkeit Liefert die Wiederholung der Messung zu einer anderen Zeit oderunter anderen Bedingungen ein gleiches Ergebnis? Physikalisches Praktikum 0.3. Physikalische Modelle, Hypothesen, Theorien, Rolle der Mathematik Experimente sind meist so gestaltet, dass bestimmte Einflüsse deutlich messbar sind, störende Einflüsse hingegen ausgeschaltet oder weitestgehend unterdrückt werden und die gewünschte Größe möglichst unbeeinflusst ermittelt werden kann. Bsp.: Experiment 3: Fallgesetze / Fallröhre: V 2 / 1232
Ausschluss des Luftwiederstandes in einem Vakuum-Fallturm Physikalische Gesetze, die in der Regel durch Formeln ausgedrückt werden, sind den Vereinfachungen des Modells angepasst, d.h., Dinge, die in dem betrachteten Zustand keine Rolle spielen, kommen nicht (mehr) vor. Einfachheit und Klarheit Man muss aber immer wieder (über)prüfen, ob die Voraussetzungen des Modells im konkreten Falle gelten. Hypothesen: Mehr oder weniger begründete Vermutungen, Arbeitshypothesen dienen oft der Planung bzw. dem Entwurf von Experimenten Bsp.: Wenn das so ist, dann müssten doch auch Vorstufen von Gesetzmäßigkeiten Prinzipiell ist Physik immer offen für unerwartete experimentelle Ereignisse. Insofern ist keine Gesetzmäßigkeit absolut. Mit zunehmender Vervollständigung des Bildes von der Welt, der zunehmenden Menge von zusammenpassenden und sich gegenseitig nicht störenden bzw. sich stützenden Befunden steigt natürlich das Zutrauen in die gefundenen Gesetzmäßigkeiten. Deshalb wird z.b. die (zukünftige) Suche nach einem perpetuum mobile abgelehnt. Theorien: Überwiegend mathematische Formulierung gefundener Gesetzmäßigkeiten beziehen sich auf ein bestimmtes Modell o Außerordentlich wichtige Rolle von Mathematik + Computerphysik o Arbeitsteilung zwischen Experimentalphysik und theoretischer Physik wegen des enormen Wissensvolumens Neue experimentelle Messergebnisse Theorie/ Hypothese theoretische Erklärung nachfolgende experimentelle Bestätigung o Computertechnik: näherungsweise Lösung komplexer Probleme, die analytisch
unzugänglich sind Berechnung experimentell nicht zugänglicher Konstellationen Die in Theorien verwendete mathematische Formulierung physikalischer Aussagen erlaubt die Vorhersage bisher nicht bekannter Vorgänge und Erscheinungen. Bsp.: Vorhersage elektromagnetischer Wellen durch James Clerk Maxwell (1831-1879) Experimenteller Nachweis durch Heinrich Hertz (1857-1894)