EP: ExperimentalPhysik - Einführung in die Physik

EP: ExperimentalPhysik - Einführung in die Physik
Dozenten:
Versuche:
W. Dünnweber und M. Faessler
P. Koza
Hörer:
Studenten der Tiermedizin (≈ 300) und Geowissenschaften
(≈120) mit Physik als Nebenfach (1-semestr. Einführung)
+andere (≈1)
Vorlesungsbeginn: Mo, Mi 11h25 im gr. Physik-Hörsaal
Übungen:
Übungsaufgaben(1mal/Woche), schriftliche Lösungen:
siehe www.physik.lmu.de → Lehrangebot, EP
Besprechung der Aufgaben, zweimal/Woche:
Mo 13h05 – 13h50
Mi 13h05 - 13h50
Klausur**:
schriftlich, Datum: 3.Feb. 2010
**
Kann mündliche Vorphysikumsprüfung in Physik ersetzen
EP WS 2009/10 Dünnweber und Faessler
LITERATUR:
Hellenthal
Thieme Verlag 370 S.
„Physik für Pharm., Med. u. Biol.
Haas
„Physik für Pharm. u. Mediziner.“
Wissensch. Verlags Ges. 470 S.
Seibt
Edition Medizin VCH 440 S.
„Physik für Mediziner“
Stuart-Klages
Springer Verl. 370 S.
„Kurzes Lehrbuch der Physik“
Westphal
Springer Verl. 265 S.
„Kleines Lehrbuch d. Physik“
EP WS 2009/10 Dünnweber und Faessler
Kamke et al.
Teubner Verl. 640 S.
Trautwein et al.,
W. De Gruyter Verlag
„Physik für Mediziner“
„Physik für Medizinier,…“
460 Seiten
Und weitere….
Vertiefende Bücher:
Gerthsen + Kneser + Vogel
Springer Verl. 900 S.
„Physik“
Tipler
Spektrum Akademischer Verlag1 520 S.
„Physik“
Halliday+Resnick+Walker
Wiley-VCH 920 S.
………….
„Halliday Physik“
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Es gibt viele gute Lehrbücher. Und Skripten von Vorlesungen.
Wozu soll man dann noch in die Vorlesung gehen?
Contras:
•Sie verlieren wertvolle Zeit
•Dozenten reden ohne Unterlass
•Ausführliche Powerpoint- Präsentation im Internet
•Sie müssen 1.5 Stunden still sitzen, dürfen nur reden,
wenn Sie Fragen zur Vorlesung haben
Pros:
•Vorlesung muss sich kürzer fassen als Bücher
•Die wesentlichen Formeln auf Tafel oder Projektor
•Demonstrationsversuche
•Dozent beantwortet Fragen
•Direkte Vorbereitung auf die Klausur
EP WS 2009/10 Dünnweber und Faessler
Einleitung:
A) Gegenstand, Ziel und Methode der
Physik, ihr Vokabular und ihre Grammatik
B) Maßeinheiten,
Basisgrößen und – einheiten (Vorausblick)
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Gegenstand, Ziel und Methode der Physik
• Gegenstand, siehe Ursprung des Wortes:
Physis (griech.) = materielle Natur, Welt
Physik von physike theoria= Naturwissenschaft
• Ziel der Naturwissenschaften:
Aufbau der Materie und Wechselwirkungen zwischen materiellen Objekten
einfach und allgemein zu beschreiben und verstehen. Naturgesetze zu finden.
Quantitative Voraussagen auf der Basis der gefundenen Gesetze
als wesentlicher Test der richtigen Beschreibung. ****
****
Hinter dieser sehr einfachen Darstellung der Ziele verbergen sich ganze Bibliotheken von philosophischen
Werken, und von Wissenschafts- und Erkenntnistheorien, d.h. von den Wissenschaften, deren Gegenstand
wiederum die Methode der Naturwissenschaften ist.
Der Weg von Beobachtungen von Regelmäßigkeiten und Wiederholungen in der Natur zur Formulierung von
Naturgesetzen ist kompliziert .
Die Überzeugung, dass die Natur Gesetzen folgt, und bei bekannten Bedingungen zu einer bestimmten Zeit der
weitere Verlauf des Geschehens voraussagbar ist, und auch die Vergangenheit rekonstruiert werden kann, der
wissenschaftliche Determinismus, wurde von Laplace vor etwa 200 Jahren verkündet.
Eine Einschränkung hat dieser Determinismus durch die Entdeckung der Quantenmechanik vor ca 100 Jahren
erfahren.
Heute glaubt man, dass die Naturgesetze es uns ermöglichen, Voraussagen innerhalb von Grenzen zu machen,
die durch die Unschärferelationen der Quanten- oder Wellenmechanik gegeben sind.
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Gegenstand, Ziel und Methode der Physik
Gegenstand: Womit befasst sich die spezielle
Naturwissenschaft „Physik“ heute?:
Grundlagendisziplinen wie Mechanik, Thermo-,
Elektrodynamik.......
und Sachgebiete wie Atom-, Kern-, Geo-, Biophysik.....
(dem Namen nach abtrünnige Gebiete: Chemie, Biologie,
Geologie, Astronomie, ...... Medizin)
Methode: Physik ist
a) quantitative (= „exakte“)
b) empirische
Wissenschaft
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Zur Methode der Physik
„Physik ist eine exakte, quantitative Wissenschaft“
Physik als „Sprache“ gedeutet verwendet als Vokabular nur
quantitative Begriffe = physikalische Größen
Wissenschaftstheorie unterscheidet zwischen qualitativen,
komparativen und quantitativen Begriffen.
Die Umgangssprache verwendet alle 3 Arten von Begriffen, z.B:
Qualitativer Temperaturbegriff:
komparativer
Begriff :
Quantitativer
Begriff:
heiß, kalt ...
heißer als, ...
T=18 Kelvin,..
Nicht nur im Bereich Physik wie beim Beispiel oben:
Z.B:
Preis von XY = teuer, teurer als …. 5.- Euro
Mengenangaben: a weng, ..,mehr ,… 1 Maß Bier
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„Physik ist eine empirische Wissenschaft“
• Physikalische Begriffe dienen der Beschreibung von
(empirisch) beobachtbaren Vorgängen in unserer
materiellen Welt
• Verwendung quantitativer Begriffe impliziert
Messvorgang, d.h. Vergleich mit Referenzmaß, wie
Längenmaß, Temperaturskala → Maßeinheiten
• Quantitativer Begriff (= physikalische Größe)
ist Kürzel für Messvorschriften
⇒ Versuche zu qualitativen Sinneswahrnehmungen
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Die Grammatik der Sprache Physik:
Physikalische Aussagen sind meist Gleichungen, die einfachsten:
PHYSIKALISCHE GRÖSSE = (ZAHL ± FEHLER) ⋅ EINHEIT
z. B.
T = (18.0 ± 1.0) K
Temperatur
Kelvin
Kompliziertere Aussagen (Gesetze oder auch Definitionen von neuen
physikalischen Größen) sind meist Gleichungen für
Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen.
z. B.
Definition der Größe „mittlere Geschwindigkeit“
Newtonsches 2. Axiom (Gesetz oder Definition von Kraft)
x 2 − x1
vx =
= mittlere Geschwindigkeit
t 2 − t1
r
r
F = Kraft = m a = Masse mal Beschleunigung)
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Bei Zusammensetzung von Definitionen und Gesetzen zu Theorien und
Umformung von Gesetzen werden die Regeln der Logik und
Mathematik benötigt.
Bei der Verifizierung von Aussagen oder ganzen Theorien ist ein
wesentliches Kriterium die quantitative Übereinstimmung von
theoretischen Voraussagen mit experimentellen Messergebnissen.
Naturwissenschaften sind das gewaltigste intellektuelle Gebäude
der Menschheit, gemeinsam erstellt von sehr vielen Denkern und
Wissenschaftlern über viele Generation der Menschheit hinweg.
Eine Realisierung des Turms von Babel im geistigen Bereich mit
entsprechend gigantischen Anwendungen im praktischen Bereich
unseres Lebens (moderne Technik und Zivilisation) dank einer
einheitlichen Sprache (mit deren Grundvokabular Sie in dieser
Vorlesung vertraut gemacht werden sollen)
→ Film „Powers of Ten“
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Maßeinheiten
• Standard (SI =Système International) Einheiten:
z. B. m, s, kg, Joule
• (nicht Standard z. B. feet, inch, Kalorie..)
• Man unterscheidet zwischen abgeleiteten und
Basiseinheiten
Die 7 Basiseinheiten werden Sie gleich sehen, alle
anderen sind abgeleitet
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Basisgröße (Symbol) Name f. SI- Basiseinheit
(Symbol für Einheit)
Länge (l)
Meter
(m)
Zeit (t)
Sekunde
(s)
Masse (m)
Kilogramm
(kg)
El. Stromstärke (I)
Ampère
(A)
Temperatur (T)
Kelvin
(K)
Lichtstärke ()
Candela
(cd)
Stoffmenge (n)
Mol
(mol)
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Präfixe und ihre Abkürzung () für Zehnerpotenzen von Einheiten
101
102
103
106
109
1012
1015
1018
deka
hekto
kilo
Mega
Giga
Tera
Peta
Exa
(da)
(h)
(k)
(M)
(G)
(T)
(P)
(E)
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
dezi
centi
milli
mikro
nano
pico
femto
atto
(d)
(c)
(m)
(µ)
(n)
(p)
(f)
(a)
z. B. 5 ⋅ 10-15 m = 5 fm (typischer Kerndurchmesser)
300 000 Kilometer = 300 000 km = 3 ⋅ 108 m *
1 ⋅ 1019 Joule = 10 EJ **
* Strecke, die Licht in einer Sekunde zurücklegt
** Energieverbrauch in Deutschland pro Jahr (2002)
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Es gibt keine Messung ohne Messfehler
•Ablesegenauigkeit
•Streuung des Messwertes bei Wiederholung der Messung
(statistischer Fehler)
•systematische Fehler
z. B. Messung der Zeit mit Armbanduhr: Ablesegenauigkeit 1 s
Quarzuhren: Streuung von 1/30000 [s/s]
Atomuhren: besser als 1/100000000000000
Man unterscheidet:
Präzisionsmessungen und explorative Messungen
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