Einführung Oberstufe (Sekundarstufe 2)
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1. Einführung in den Gegenstand Physik 1.1 Einleitung Ausgangspunkte: Natur verstehen Natur nutzbar machen ( Erkenntnisdrang ) Entmystifizierung der Natur ( Lebensbewältigung ) Führe Aufgaben A1, A2, A6 Seite 5 Basiswissen 5RG Einführung in Physik 6. Klasse Teilgebiete - Anwendungen Einführung in Physik 6. Klasse Merksatz Die Physik befasst sich mit der Erforschung der Naturgesetze und der Beschreibung der Naturerscheinungen mit Hilfe dieser Gesetze im Bereich der unbelebten Natur. Einführung in Physik 6. Klasse Postkarte mit den Gesetzen der klassischen Physik Einführung in Physik 6. Klasse Historischer Abriss: Ägypter - Griechen Demokrit: Atome; Eratosthenes: Erdradius; Aristarch: Ansätze eines helioze Archimedes: Hebel; Ptolemaios: Geozentr. WB Kopernikus (1473 - 1543) heliozentr. WB Galilei (1564 -1642) Begründer der heutigen naturwissenschaftlichen Methode. Begründer der experimentellen Physik. Von hier an nahm die Naturwissenschaft einen großen Aufschwung. Newton (1643 - 1727) Er schuf die theoretischen Grundlagen für die Mechanik. Watt (1768 Dampfmaschine - Zeitalter der Technik) 17. Jahrhundert: Mechanik, Optik 18. Jahrhundert: Ausbau der Mechanik; Maschinen 19. Jahrhundert: Elektrizität und Wärmelehre Zusammenhang: Strom - Magnetfeld. Oersted (1820) Induktionsgesetz: Faraday (1832) Dynamoelektrisches Prinzip: Siemens (1867) (→Generatoren) Elektromagnetische Wellen: Maxwell: Optik ist ein Teilgebiet der Elektrizität. 20. Jahrhundert: Zwei große Forschungsrichtungen: a) Atomphysik, Quantentheorie, Elementarteilchen. Einführung in Physik 6. Klasse b) Weltraumforschung, Sterne, Kosmologie, Relativitätstheorie Einführung in Physik 6. Klasse 1.2 Die naturwissenschaftliche Methode: Lies B. S. 8 /2. Spalte Experimente: • Naturvorgänge sind oft kompliziert und schwer beobachtbar (z.B. Untersuchung von Blitzen) • Beim Experiment lassen sich die einzelnen Größen leichter messen. • Experimente können jederzeit (??) wiederholt werden. • Das Experiment stellt eine Frage an die Natur. Antwort in Form von Messergebnissen. Einführung in Physik 6. Klasse Sprache der Physik: Mathematik Zwei wichtige Vorgangsweisen: a) Aus Ergebnissen eines Experiments ( Messreihen) wird ein physikalisches Gesetz hergeleitet. d. h. Aus Einzelbeobachtungen → allgemeingültiges Gesetz. Induktives Verfahren. z. B. Ohmsches Gesetz, Fallgesetz Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse b) Intuition: Nicht alles wurde schon beobachtet. Hypothese: (unbewiesene Annahme) wird an den Anfang gestellt. Mit Hilfe mathematischer Methoden wird daraus eine Theorie entwickelt, die das Naturgeschehen beschreibt und begründet. Bereits Erwiesenes darf dadurch nicht falsch werden. Deduktives Verfahren. Nachweis der Theorie durch Experimente. Voraussagen müssen möglich sein. Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse 1.3 Größen und Einheiten: Physikalische Größen sind messbare Eigenschaften von Objekten. Sie bestehen aus Zahlenwert und Maßeinheit. vernünftig anerkannt Beispiele: l=3m; t = 4s; ... Wir unterscheiden: Grundgrößen und abgeleitete Größen: Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse Basiseinheiten Basisgrößen Länge l Meter m Masse m Kilogramm kg Zeit t Sekunde s Stromstärke I Ampere A Temperatur T Kelvin K Lichtstärke IV Candela cd Stoffmenge n Mol mol Schreibe die Tabelle aus dem Buch S. 6 Vorsilben ab! Einführung in Physik 6. Klasse Zehnerpotenz 12 10 9 10 106 3 10 102 101 100=1 10–1 10–2 10–3 10–6 10–9 10–12 10–15 Vorsilbe Abkürzung Beispiel TeraGigaMegaKiloHektoDeka- T G M k h da kg hl dag DeziCentiMilliMikro- d c m dm cl mg Nanon Picop Femtof Einführung in Physik 6. Klasse m ns Entfernung Erde-Sonne: dErde-Sonne150 Mill.km= 1,5·1011m Entfernung Erde-Mond: dErde-Mond384000km=3,84·108m Erdradius: rErde6370km=6,37·106m Atomgröße: rAtom10–10m Kerngröße: dAtomkern10–15m Lichtgeschwindigkeit: c300000km/s=3·108m/s Masse eines H-Atoms: mH1,67·10–27kg Anzahl der H2O-Moleküle in 18 g: 6·1023 (Loschmidtsche Zahl) Einführung in Physik 6. Klasse 1.3.1 Die Längenmessung Definition der Längeneinheit: 1m ist der 40 Millionste Teil des Erdumfanges. Später Urmeter in Sevres bei Paris ( aus Platin und Iridium ) 1792 Vermessung Dünkirchen - Barcelona Lit: Ken Alder: Das Maß der Welt, Goldmann Verlag, Juni 2005 1875: Internationale Meterkonvention (Staatsvertrag, den auch ÖsterreichUngarn unterzeichnete) Einführung in Physik 6. Klasse Problematik des Urmeters: Mikroskop. Aufnahme des mittleren Striches. Einführung in Physik 6. Klasse 22. Juni 1799 Sevres bei Paris aus Platin-Iridium Einführung in Physik 6. Klasse Derzeit gültige Meterdefinition: Seit 1983: 1 Meter ist gleich der Strecke, die das Licht im leeren Raum in einer Zeit von 1/299792458 s zurücklegt. [l] = m Basisgröße Bereich der heute zugänglichen Distanzen 10-18 m bis 1026 m. Vergl. B. (Basiswissen 5) S. 15 Messungen sind generell mit Messfehlern behaftet. Man kann daher die Messwerte nur bis auf diesen Messfehler (l) genau angeben. Einführung in Physik 6. Klasse Messgeräte: mechanische Längenmessung: Maßband, Maßstab (1-10m; l=1cm) Schublehre (10 cm; l=0,1mm) Hauptskala Noniusskala Nonius: 10 Skalenteile der Noniusskala decken sich mit 9 Skalenteilen der Hauptskala. Einführung in Physik 6. Klasse Nonius Einführung in Physik 6. Klasse Mikrometerschraube: Messgenauigkeit: Δl = 0,01 mm Lies ab! Einführung in Physik 6. Klasse Größere Distanzen Trigonometrische Längenbestimmung: Abstecken einer Standlinie. Messen von Winkeln mit dem Theodolith. Berechnen mit Hilfe trigonometr. Funktionen. Einführung in Physik 6. Klasse Größere Distanzen: Laufzeitmessungen (z. B. Radar, Infrarot, Ultraschall) Grundlage: Lichtgeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit Einführung in Physik 6. Klasse Kleinere Distanzen: Optische Methoden (Interferometrie) Aufgabe: Miss die Dicke eines Blatts deines Physikbuchs mit einer Schublehre! Gehe wie im Buch BW 5 S. 12 vor! Fertige ein Protokoll dazu an! Gib dazu den relativen Fehler an: Relativer Fehler = l l Einführung in Physik 6. Klasse 1.3.2 Die Zeitmessung Grundlage: periodische Vorgänge Alte Definition: 1s ist der 86400-te Teil eines mittleren Sonnentages. Neue Definition seit 1967: Die Sekunde ist gleich der Dauer der von 9.192.631.770 Schwingungen der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des CaesiumAtoms-133 entspricht. [t] = s Basisgröße Die Definition basiert auf der Atomuhr. Man sieht dabei, dass zur Angabe einer Maßeinheit auch die Messmethode überlegt werden muss. Die Richtigkeit der Zeit kann nur mit einer zweiten gleichgebauten Uhr festgestellt werden. Die Abweichung dieser beiden Uhren voneinander gibt den Messfehler an. Einführung in Physik 6. Klasse Zeitbereiche: 10-24s (Lebensdauer der instabilsten Elementarteilchen) bis 1018s (Alter des Universums) vgl. B. S 17 Messgeräte: Uhren Wichtigste Bestandteile einer Uhr: • Periodischer Vorgang • Antrieb • Rückkopplung Pendeluhr: (B. S. 16) (Folie) Periodischer Vorgang: Pendelschwingung Antrieb: Uhrgewicht Rückkopplung: mechanisch Anker Atomuhr: Genauigkeit: Δt = 10-12s Je höher die Frequenz einer Uhr ist, desto genauer ist sie. Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse St. Sebaldus Nürnberg Einführung in Physik 6. Klasse 1656 Christian Huygens Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig UTC ( koordinierte Weltzeit) TAI (internationale Atomzeit) Einführung in Physik 6. Klasse Ende 1.3.3 Die Masse Sie ist ein Maß für träge und schwere Eigenschaften eines Körpers. (später Erklärung) 1kg ist so schwer wie das Pariser Urkilogramm. [m] = kg … Basisgröße Sollte gleich der Masse von 1dm3 Wasser bei 4°C sein. (Wasser ist etwas leichter (0,028 g ) Massenbereiche: 10-30kg (Elektronenmasse) bis 1042kg (Milchstraße) Vgl. BW 5 S. 19 Messgeräte: Waagen Massensatz (1,2,5) zum Vergleichen. Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse 1.3.3.1 Die Dichte Zum Vergleich verschiedener Stoffe führen wir eine weitere Größe ein. Masse Dichte Volumen m V Die Dichte ist eine abgeleitete Größe. Einheiten: 1 kg/m3, 1 kg/dm3, 1 g/cm3 Umrechnung: 1 kg/dm³ = 1000 kg/m³ 1 g/cm³ = 1 kg/dm³ Rechne nach! Beispiele für Dichten: v gl. BW 5 S. 18 Aufgabe: Bestimme die Dichte mehrerer Körper! Einführung in Physik 6. Klasse Balkenwaage Sie vergleicht die Masse des Körpers mit Massestücken von einem Massensatz. Massensatz Vergleiche auch mit einer elektronischen Waage! Miss zuerst die Masse von verschiedenen Körpern, dann deren Volumen! m1 = V1 = ρ1 = m2 = V2 = ρ2 = m3 = V3 = ρ1 = Einführung in Physik 6. Klasse Schaue in der Tabelle nach! Einführung in Physik 6. Klasse 1.3.4 Messfehler Es gibt 2 Gruppen von Fehlern: • Systematische Fehler: z. B. falsch eingestelltes Messgerät, .. • Statistische Fehler: Sie treten bei jeder Messung auf und können nie zur Gänze ausgeschaltet werden. Sehr oft wird bei der Angabe eines Messwertes auch seine Genauigkeit angegeben. z. B. l = (5,71 ± 0,01)mm oder 5,71(1)mm kurz: l = 5,71mm, d.h. auf 2 Dezimalen genau Beachte: 5,71 5,710 Einführung in Physik 6. Klasse Meist wird eine Messreihe durchgeführt und davon der Mittelwert gebildet. absoluter Fehler: Abweichung vom tatsächlichen Wert (oder Mittelwert) relativer Fehler: = absoluter Fehler 100 [%] tatsächlic her Wert Berechne den relativen Fehler einer Quarzuhr und einer Schublehre. a) 1ms/d b) 0,1mm/10cm Lsg: a) 1,15.10-6 % b) 0,1 % Einführung in Physik 6. Klasse Ende Quantity Length Unit metre m Mass kilogram kg Time second s Electric current ampere A Thermodynamic kelvin temperature K Amount of substance mole mol Luminous intensity candela cd Definition The metre is the length of the path travelled by light in vacuum during a time interval of 1/299 792 458 of a second. The kilogram is the unit of mass; it is equal to the mass of the international prototype of the kilogram. The second is the duration of 9 192 631 770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium 133 atom. The ampere is that constant current which, if maintained in two straight parallel conductors of infinite length, of negligible circular cross-section, and placed 1 metre apart in vacuum, would produce between these conductors a force equal to 2 × 10 7 newton per metre of length. The kelvin, unit of thermodynamic temperature, is the fraction 1/273.16 of the thermodynamic temperature of the triple point of water. 1. The mole is the amount of substance of a system which contains as many elementary entities as there are atoms in 0.012 kilogram of carbon 12. 2. When the mole is used, the elementary entities must be specified and may be atoms, molecules, ions, electrons, other particles, or specified groups of such particles. The candela is the luminous intensity, in a given direction, of a 12 source that emits monochromatic radiation of frequency 540 × 10 hertz and that has a radiant intensity in that direction of 1/683 watt per steradian. Einführung in Physik 6. Klasse Einführung in Physik 6. Klasse Ende
