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Einführung in die
Experimentalphysik für Pharmazeuten
Prof. Joachim Rädler
Gunnar Spiess
Dr. Doris Heinrich
e-mail: [email protected]
(Experimentelle Vorlesungsbegleitung)
(Übungen)
Vorlesung: Montags 11.15 bis 12.45, Liebig HS
Übung : Montags 10.00 bis 11.00, Liebig HS
Klausur: am 23. Juli. 2006 von 11.15 bis 12.45
Web-Seite zur Vorlesung :
www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/sose_07/pph
Physik-Praktikum
http://www.physik.uni-muenchen.de/studium/praktikum/
Dr. Karsten Jessen
Schellingstr.4
J. Rädler
Lehrstuhl für Experimental Physik
Geschwister Scholl-Platz 1
Tel.: 2180-2437
Inhalt der Vorlesung:
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
Literatur:
430 Seiten, ca. 30 Euro
720 Seiten, ca. 54 Euro
Die wichtigsten methodischen
Entwicklungen in der Bioanalytik
Physik liegt
vielen
analytischen
Techniken
zugrunde
Quelle : Lottspeich & Zorbas
Zur Methode der Physik
1. Empirische Wissenschaft
stellt Fragen an die Natur
=> Experimente
2. Exakte Wissenschaft
Beschreibung der Natur mit Hilfe
der Mathematik
"Die mathematischen Prinzipien
der Naturphilosopie""
Newtonsche
Mechanik :
Erste moderne
Theorie
Theorie
Experiment
Hypothese
Galilei: einer der ersten
modernen Experimentatoren
Erkenntnis
Konkurrenz der Weltbilder (Theorien)
jede der abgebildeten Theorien hatte den Anspruch den Lauf der
Planeten korrekt zu beschreiben und vorhersagen zu können
grafischen Darstellung von 1750
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)
Die Basiseinheiten (SI-Einheiten)
SI: système international d’unités
Einheit der Länge
Das Urmeter von 1876
Seit 1983 ist die Lichtgeschwindigkeit auf
c0=299 798 458 m/s
festgelegt.
Relative Unsicherheit 10-14
Größenordnungen in der Physik
10
n
Logarithmische Skala
Vorsilben
(SI - Vorsätze)
zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen
HIV Virus
Box mit Molekülen
(maßstabsgetreu)
Zur Anzeige wird der QuickTime™
Bakterium
Dekompressor „TIFF (LZW)“
Bakterien-Phage
benötigt.
Goodsell, 1993
1 Millimeter
1 Mikrometer
100µm
10µm
1 Nanometer
100nm
10nm
Mikroelektronik
Physik: Top-Down
Nanowissenschaft
0,1nm
Chemie
Chemie: Bottom-Up
Nanowissenschaft ist interdisziplinŠr
Der Nano-Kosmos
in unsere Welt skaliert
Atome
1 cm
0,2 nm
Proteine
1m
40 m
E.coli
25 nm
1µm
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
1nm
Virus
TM Virus
Phage
Moleküle
3 Größenordnungen
Bakterium
1µm
Goodsell, 1993
Einheit der Zeit
Früher :
1sec=1/86400 Tag
Atomuhren gehen
auf 20 Millionen
Jahre 1 s falsch.
Relative Unsicherheit 10-14
Oszilloskop
Zeitenskalen
sec
1015
1012
109
106
103
1
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
10-21
10-24
Alter des Universums
Alter der Erde
Erste Menschen / alter der Pyramiden
1 Jahr = 3,15 107 s , 1 Tag 8,64 104 s
Zeit die Licht von der Sonne zur Erde benötigt
Abstand zwischen Herzschlägen
Periode einer Schallwelle
Periode einer Radiowelle
Licht legt 30cm zurück
Periode einer Molekülschwingung
Periode einer Atomschwingung
Licht legt Atomdurchmesser zurück
Periode einer Kernschwingung
Licht legt Kerndurchmesser zurück
Einheit der Masse
Das Urkilogramm
Relative Unsicherheit 10-9
Stoffmengeneinheit
Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen
Teilchen besteht, wie Atome in 0,012kg des Kohlenstoffnuklids
12C enthalten sind.
Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist die
Avogadro-Konstante NA= 6,022·1023/mol
N
n=
NA
N : Teilchenzahl [einheitenlos]
n : Stoffmenge [mol]
In der Atomphysik und Chemie werden auch Atommasseneinheiten benutzt.
Dem Isotop 12C wird die Atommassezahl 12 zugeordnet
−3
10
kg
1
12
= 1,66053⋅10−27 kg
m( C ) =
Atomare Masseneinheit (amu) =u=
N A mol
12
Messgenauigkeit und Messfehler
1. systematische Fehler : z.B. durch Messapparatur bedingt
2. statistische Fehler
Messung
1
ti [s]
12
Messreihe
Arithmetisches Mittel
Mittleres
Schwankungsquadrat
der Einzelmessung
(Varianz)
Mittler Fehler des
arithmetischen Mittels
1
x=
N
2 3 4
5
8 20 15 16
N
∑x
i =1
i
2
1 N
2
( xi − x )
σ =
∑
N − 1 i =1
2
σM =
N
1
( xi − x )
∑
N ⋅ ( N − 1) i =1
Messreihe :
i 1
2
xi 12 8
arithmetischer
Mittelwert
x=
3 4 5
20 15 16
1
(12 + 8 + 20 + 15 + 16) = 14,2
5
Standardabweichung der Einzelmessung
σx =
{
}
1
(− 2,2)2 + (− 4,2)2 + (+ 5,8)2 + (+ 0,8)2 + (+ 1,6)2 + = 4,5
4
Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts
σM =
σx
N
=
4,5
= 2,25
5
x = 14,2 ± 2,25
Grafische Darstellung der Messreihe
20
xi ± σ
x ±σ M
10
1
2
3
4
5
Zur Natur der Messfehler
Wie nah sind wir dem "wahren" Wert ?
Quelle : Demtröder
MECHANIK
Bewegungslehre (Kinematik)
Gleichförmige Bewegung
Beschleunigte Bewegung
Kräfte
Geschwindigkeit
Geschwindigkeit v ist das Verhältnis des zurückgelegten Weges
∆s zur dazu benötigten Zeit, ∆t.
s[m]
s[m]
∆s
∆t
t[s]
m
∆s 10 m
=
=5
v=
s
2 s
∆t
t[s]
∆s ds
=
∆t → 0 ∆ t
dt
v = lim
Die Geschwindigkeit ist die Ableitung des Ortes nach der Zeit
Die Beschleunigung
Die Änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit nennt man
Beschleunigung.
Auch die Beschleunigung ist ein
Vektor.
v[m/s]
r
r
r
∆v dv ⎡ m ⎤
a = lim
= ⎢ 2⎥
t →0 ∆t
dt ⎣ s ⎦
dv
a=
und
dt
t[s]
d 2s
ds
⇒a=
v=
dt
dt
a
[ ]
m
s2
Die gleichförmig beschleunigte Bewegung
a( t) = a
a
[ ]
t[ s]
t
v ms
v (t ) =
∫ a ⋅ dt
0
v (t ) = a ⋅ t + v 0
v0
t[ s]
s [m
]
t
s (t ) =
∫ (a ⋅ t +
v 0 )dt
0
s0
t[ s]
s (t ) =
a
⋅ t 2 + v 0 ⋅ t + s0
2
In der Natur vorkommende Geschwindigkeiten
Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) :
3 ⋅108 m / s
Schallgeschwindigkeit :
3 ⋅10 m / s
Wasserstoff bei T=300K (im Mittel) :
2 ⋅103 m / s
Elektronen in der Fernsehröhre :
1 ⋅10 m / s
Schuss aus einer Gaspistole :
2
6
?