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Einführung in die Physik für LAK
Ulrich Hohenester – KFU Graz, Vorlesung 1
Was ist Physik?, Messen und Maßsysteme,
SI-System, Grundsäulen der Physik
Was ist Physik ?
Wissenschaft von den Vorgängen in der unbelebten
Natur, die ohne Stoffumsetzung ablaufen
(Abgrenzung gegen Geisteswissenschaften, Biologie, Chemie)
Alternative Definition:
Wissenschaft von den „einfachen Dingen“
(Komplexitätsgrad derart, dass Vorgänge „berechenbar“ sind)
Physik macht folgende implizite Voraussetzungen:


Es existiert eine erkennbare Wirklichkeit.
Die Wirklichkeit weist erkennbare Regelmäßigkeiten auf
„Unter gleichen Umständen geschieht Gleiches“.
Physik ist eine Naturwissenschaft
Experiment
Modell
Theorie
Die Experimentalphysik versucht, mit Hilfe von planmäßig durchgeführten wissenschaftlichen Versuchen,
die unter jeweils




gleichen,
möglichst übersichtlichen,
reproduzierbaren und
Störungen vermeidenden
Bedingungen durchgeführt werden, Aussagen qualitativer und quantitativer Art
über physikalische Vorgänge zu erhalten.
Eine wichtige Voraussetzung der Experimentalphysik ist die Wiederholbarkeit der Experimente,
da nur auf diese Weise die Objektivität von Aussagen garantiert werden kann.
Physik ist eine Naturwissenschaft
Experiment
Modell
Theorie
Ein Modell ist ein beschränktes Abbild der Wirklichkeit.
Die Modellbildung abstrahiert mit dem Erstellen eines Modells von der Realität, weil diese meist zu
komplex ist, um sie genau abzubilden. Dies wird aber auch gar nicht beabsichtigt, vielmehr sollen
lediglich die wesentlichen Einflussfaktoren identifiziert werden, die für den zu betrachtenden Prozess
bedeutsam sind.
Beispiel „freier Fall“ (kein Luftwiderstand, homogenes Gravitationsfeld, …)
Physik ist eine Naturwissenschaft
Experiment
Modell
Theorie
Die Aufgabe der theoretischen Physik besteht darin, die empirischen Modelle der Experimentalphysik
mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen. Falls dies nicht möglich ist,
werden Hypothesen für eine neue Theorie entwickt, die dann experimentell überprüft werden können.
Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Theorien empirisch überprüfbare Voraussagen ab.
Bei der Entwicklung eines Modells wird die Wirklichkeit idealisiert; man konzentriert sich zunächst nur
auf ein vereinfachtes Bild, um dessen Aspekte zu überblicken und zu erforschen; nachdem das Modell
für diese Bedingungen ausgereift ist, wird es weiter verallgemeinert.
Michelson-Morley-Interferometer
Einzig das Experiment entscheidet über richtig / falsch
Anforderungen an physikalische Theorien
Eine Theorie ist ein System von Aussagen, das dazu dient, Ausschnitte der Realität zu beschreiben
beziehungsweise zu erklären und Prognosen über die Zukunft zu erstellen.
Eine gute Theorie soll





verträglich sein mit bereits bewährten älteren Theorien oder sie sogar in den eigenen
Erklärungsbereich miteinschließen;
Erklärungswert besitzen, also z.B. nicht rein deskriptiv sein;
Prognosen ermöglichen, die in der Praxis auch eintreffen und damit falsifizierbar sein;
extensiv sein, ihr Gegenstandsbereich soll also nicht zu speziell sein;
befruchten, also andere Wissenschaftler zu weitergehenden Forschungen inspirieren.
Beispiel: Klassische Mechanik, Relativitästheorie, Quantenmechanik, …
Messen, Einheiten, Maßsysteme
Messen
Praktisch werden physikalische Größen durch Messung bestimmt.
Messen bedeutet Vergleich mit der (willkürlich durch Übereinkunft festgesetzten) Einheit der
betreffenden Größe. Die Vorgangsweise beim Vergleich folgt einer (ebenso durch
Übereinkunft festgelegten) Messvorschrift.
Jede physikalische Größe wird angegeben als Produkt einer Maßzahl mit ihrer Einheit (z. B. 10 kg).
In Größengleichungen ist die Summe oder Differenz von Größen nur dann definiert, wenn sie gleiche
Einheiten haben; Addition oder Subtraktion von Größen mit verschiedenen Einheiten ist unzulässig.
Wohl können aber Größen mit verschiedenen Einheiten multipliziert und dividiert werden, wobei das
Resultat das Produkt (der Quotient) der Maßzahlen mal dem Produkt (dem Quotienten) der Einheiten
ist (z. B. 3 m x 2 kg = 6 kg m).
Beispiel: Geschwindigkeit 20 m/s, Beschleunigung 9.81 m/s2
Maßsystem
Es können beliebig viele physikalische Größen eingeführt werden, was ebenso viele Einheiten nötig
macht. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit unterscheidet man Grundgrößen, für die eigene Einheiten
festgelegt werden, und abgeleitete Größen, deren Einheiten mittels Größengleichungen aus den
Grundgrößen gewonnen werden.
Ein Satz von festgelegten Grundgrößen definiert ein Maßsystem. In der Physik sind aus Gründen der
Zweckmäßigkeit verschiedene Maßsysteme in Verwendung, das verbreitetste davon ist Internationale
Maßsystem (SI, Système Internationale), das sieben Grundgrößen verwendet und die dazu
gehörigen Einheiten definiert.
Grundgrößen: Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol, Candela
Wenn man das SI System verwendet, muss bei Zwischenrechnungen die Einheiten nicht immer
explizit anschreiben. Das Endergebnis besitzt immer die richtigen Einheiten.
Wann immer möglich, sollte man das SI System verwenden.
Meter, Kilogramm, Sekunde
Urmeter und Urkilogram aus Platin-Iridium
Hyperfeinübergang Caesium
Ein Meter ist durch die Strecke definiert, die Licht im Vakuum innerhalb des Zeitintervalls von
1/299 792 458 Sekunden durchläuft.
Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den
beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs
entsprechenden Strahlung.
Ein Kilogramm ist festgelegt durch das Urkilogramm, einen Zylinders aus Platin-Iridium, der vom
Internationalen Büro für Maß und Gewicht verwahrt wird.
Ampere
Ein Ampere ist die Stärke des zeitlich konstanten elektrischen Stromes, der im Vakuum zwischen
zwei parallelen, unendlich langen, geraden Leitern mit vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem
Querschnitt und dem Abstand von 1 m zwischen diesen Leitern eine Kraft von 2·10−7 Newton pro
Meter Leiterlänge hervorrufen würde.
Zukünftige Definiton:
Im Oktober 2005 beschloss das Internationale Komitee für Maß und Gewicht (CIPM) die
Vorbereitungen für eine Neudefinition der Einheiten Kilogramm, Ampere, Kelvin und Mol zu treffen,
basierend auf Naturkonstanten. Gemäß diesem Vorschlag wäre das Ampere definiert durch den Fluss
einer bestimmten Menge von Partikeln mit der Elementarladung pro Zeit.
Kelvin
Das Kelvin (Einheitenzeichen: K) ist die SI-Basiseinheit der thermodynamischen Temperatur und
zugleich gesetzliche Temperatureinheit; es wird auch zur Angabe von Temperaturdifferenzen
verwendet.
In Deutschland, Österreich, der Schweiz sowie in anderen europäischen Ländern gilt auch das Grad
Celsius (Einheitenzeichen: °C) als gesetzliche Einheit für die Angabe von Celsius-Temperaturen und
deren Differenzen. Dabei entsprechen 0 °C umgerechnet 273.15 K.
Die Differenz zwischen zwei Temperaturwerten von einem Kelvin und einem Grad Celsius sind gleich
groß und können gleichwertig verwendet werden.
Mol
In der Zukunft sollen Mol und Kilogramm
einheitlich definiert werden
Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Einzelteilchen besteht, wie Atome
in 12 Gramm des Nuklids Kohlenstoff-12 (12C) enthalten sind; sein Symbol ist „mol“.
Wenn das Mol benutzt wird, müssen die verwendeten Einzelteilchen angegeben werden; es kann sich
dabei um Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen, Photonen, sonstige Teilchen oder spezifizierte Gruppen
solcher Teilchen handeln.
Die Teilchenzahl pro ein Mol Stoffmenge (Avogadro-Konstante) hat den Wert
6.0224129 x 1023 mol-1.
Ein Mol eines Stoffes enthält also ca. 602 Trilliarden Teilchen dieses Stoffes.
Candela
Photon
~ 3,6 · 10−19 cd
Kerze
~ 1 cd
Glühlampe ~ 50 cd
Sonne
~ 2 · 1027 cd
Die Candela ist die SI-Basiseinheit der Lichtstärke, das heißt des von einem Objekt in eine gegebene
Richtung ausgesandten Lichtstroms pro Raumwinkeleinheit (Steradiant, sr), gemessen in großer
Entfernung von der Lichtquelle.
Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die
monochromatische Strahlung der Frequenz 540·1012 Hertz aussendet und deren Strahlstärke in
dieser Richtung 1/683 Watt durch Steradiant beträgt.
Photon
Angestrebt :
Elektron
Avogardozahl
Lichtgeschwindigkeit
Boltzmannkonstante
Planksches Wirkungsquantum
wie bisher
Vorsilben
Grundsäulen der Physik
Gallilei (1564–1642)
Newton (1642 –1726)
Kraft = Masse x Beschleunigung
Mechanik
Elektrodynamik
Quantenmechanik
Thermodynamik
Grundsäulen der Physik
Faraday (1791–1867)
Maxwell (1831–1879)
Elektrische Ladungen sind die Quellen von elektrische Felder.
Es gibt keine magnetischen Ladungen.
Zeitlich veränderliche Magnetfelder erzeugen elektrische Wirbelfelder.
Zeitlich veränderliche elektrische Felder und Ströme erzeugen
magnetische Wirbelfelder.
Mechanik
Elektrodynamik
Quantenmechanik
Thermodynamik
Grundsäulen der Physik
Bohr, Schrödinger, Heisenberg
Mikroskopische Systeme werden durch Wellenfunktionen beschrieben
Mechanik
Elektrodynamik
Quantenmechanik
Thermodynamik
Grundsäulen der Physik
Große Systeme bewegen sich
in die Richtung des Gleichgewichtszustandes
Mechanik
Elektrodynamik
Quantenmechanik
Thermodynamik