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Im Universum gibt es Milliarden
Galaxien.
Weltbild des Thales von Milet
Kreisel-Drehmomente ermöglichen stabiles Fahren auf
nur zwei Rädern.
Die Gravitationskraft
hält uns auf
der Erde.
Optimaler Einsatz von
Kräften und Drehmomenten bringen im Sport
die größten Weiten,
Höhen, etc.
Beim plötzlichen Abbremsen eines Körpers
treten gefährliche
Trägheitskräfte auf.
Teil A – Mechanik 1
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Teil A
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Dienstag,31.Mai200516:51:57
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Teil
A
MECHANIK I
Kapitel 1: Lebensraum Universum
Kapitel 2: Körper in Bewegung
Kapitel 3: Kräfte und ihre Wirkungen
Kapitel 4: Erhaltungsgrößen der Mechanik
Kapitel 5: Der Kreisel
In der Vorstellung des Thales von Milet (624–546 v. Chr.) war die Erde eine auf
einem großen Wasser schwimmende Scheibe. Über ihr spannt sich das Himmelsgewölbe mit den daran befestigten Sternen. Die Sonne war ein Loch in diesem
Gewölbe, durch das Licht von dem dahinter brennenden großen Feuer auf die Erde
fällt. Bei einer Sonnenfinsternis ist dieses Loch vorübergehend verstopft.
Heute wissen wir nicht nur, dass die Erde „nur“ einer von mindestens neun Planeten
des Sonnensystems ist, sondern auch, dass unsere Sonne „nur“ einer von etwa
100 Milliarden Sternen in der Milchstraße und die Milchstraße ihrerseits „nur“ eine
von vielen Milliarden Galaxien im Universum ist. Klein sind die Menschen auf
ihrem Planeten geworden. Dennoch sind für die Menschen und die Menschheit
insgesamt dieAbläufe und Prozesse auf der Erde von lebenswichtiger Bedeutung.
Im ersten Kapitel dieses Abschnittes von „Faszination Physik 1“ werden wir einen
einführenden Blick auf die räumlichen und zeitlichen Dimensionen in Mikro- und
Makrokosmos werfen. Die komplexen Prozesse die hier – oft im für uns
Verborgenen – ablaufen, lassen sich aber nur verstehen, wenn man sich zuvor mit
den grundlegenden Begriffen und Zusammenhängen der allgemeinen Physik
befasst hat.
Nach einem einführenden Blick auf die räumlichen und zeitlichen Dimensionen in
Mikro- und Makrokosmos werden wir uns in Teil A von „Faszination Physik 1“
mit den grundlegenden Fragen der Mechanik befassen.
Die Mechanik spielt im täglichen Leben jeder und jedes Einzelnen von uns eine
wichtige – wenn auch oft unbemerkte, weil als selbstverständlich empfundene –
Rolle. Erst wenn z. B. die auftretenden Beschleunigungs- oder Bremskräfte größer
sind als die vorhandene Reibungskraft, wird so manchem die große Bedeutung
dieser Zusammenhänge (oft schmerzhaft) bewusst. Im Straßenverkehr hängt buchstäblich unser Leben an derAusgewogenheit der beteiligten mechanischen Kräfte.
Mechanische Kräfte und Drehmomente sind es aber auch, die – optimal eingesetzt – den Sieg in sportlichen Wettkämpfen bringen. Sie halten uns auf der Erde
und ermöglichen überhaupt erst das Fahren auf zwei Rädern.
Physikalische Größen wie Arbeit, Leistung und Energie sind nötig, um Energieumwandlungsprozesse und ihre Effizienz zu beschreiben. Erhaltungssätze
versetzen uns in die Lage, Abläufe verhältnismäßig einfach zu berechnen und so
auftretenden Belastungen vorherzusagen.
Teil A
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Dienstag,31.Mai200516:59:10
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Stagira
(Aristoteles)
Leukipp (um 500 v. Chr.)
und Demokrit (360–270 v.
Chr.) gelten als die Begründer desAtomismus.
Abdera
(Demokrit)
Athen
(Platon)
Milet
(Leukipp)
Platon (427–347 v. Chr.)
und Aristoteles (384–322 v.
Chr.) lehnten dies ab. Sie
gingen von einem kontinuierlichen Aufbau der Stoffe
aus. Ihre Ideen bestimmten
für zwei Jahrtausende die
Vorstellungen von der Natur.
D. Bernoulli (1700–1782) erklärte
das Verhalten von Gasen: Gase bestehen aus kleinen Teilchen, die miteinander und mit dem Behälter durch
elastische Stöße wechselwirken.
Masse und positive Ladung
J. Thomson (1846–1940) gab den Atomen erstmals eine
innere Struktur. Masse und positive Ladung sind
gleichmäßig im Atom verteilt. Die negativen Elektronen
sind wie Rosinen in einem Teig verteilt.
Elektronen
Erwartet:
Beobachtet:
+
a-Teilchenstrom
a-Teilchenstrom
Thomson´sche Atome dürften einen Strom aus a-Teilchen nur wenig ablenken. Aus
der gemessenen, teilweise sehr starken, Ablenkung schloss E. Rutherford
(1871–1937) auf die Existenz eines massiven Kerns im Inneren der Atome, der die
gesamte positive Ladung beinhaltet. Die Elektronen bewegen sich in beliebigen
Bahnen um den Kern.
N. Bohr (1885–1962) postulierte „stationäre Bahnen“, auf
denen sich die Elektronen ohne Energieverlust bewegen
können.
+
Die Entwicklung der Vorstellungen vom Aufbau der Materie
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Die Welt des Mikrokosmos
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Dienstag,31.Mai200516:51:57
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1. Lebensraum Universum
Ziel der Physik ist es, für die Abläufe in der Natur möglichst umfassende Erklärungsmodelle und Theorien zu entwickeln. Ein wichtiges Instrument dabei ist die
Beobachtung; einerseits die passive Beobachtung von Vorgängen, andererseits das
Experiment, das als gezielte, aktive Frage an die Natur zu verstehen ist.
Bei der Beobachtung von Vorgängen ist der Mensch allerdings starken Einschränkungen unterworfen. Die Alltagsumgebung, wie wir sie wahrnehmen, ist nur ein
winziger Bruchteil der gesamten Wirklichkeit. Ohne aufwändige Geräte können
wir weder mikroskopisch kleine Objekte wahrnehmen, noch Vorgänge beobachten, die in millionstel Sekunden ablaufen.
Erst der rasante technologische Fortschritt seit dem 20. Jh. ermöglichte eine
enorme Verbesserung bestehender, aber auch die Entwicklung ganz neuer Beobachtungsinstrumente. Die Explosion an Erkenntnissen ist zu einem wesentlichen
Teil darauf zurückzuführen, wobei sich diese Erkenntnisse ihrerseits wieder
befruchtend auf den technologischen Fortschritt auswirken.
1.1 Die Welt des Mikrokosmos
Die Idee, Körper könnten aus kleinsten, nicht mehr weiter teilbaren Teilchen
bestehen, wurde erstmals im antiken Griechenland von Leukipp und Demokrit
geäußert. Heftig bekämpft wurde diese Vorstellung von Platon und Aristoteles. Sie
gingen von einem kontinuierlichen Aufbau der Materie aus und setzten sich
letztlich durch.
Erst ab dem 17. Jh. erhielt die Vorstellung von der atomaren Struktur der Materie
neuen Auftrieb. Impulse dazu kamen v. a. von der Untersuchung des Gasverhaltens
und von der Chemie. Man erkannte, dass sich viele chemische Vorgänge mit der
Annahme eines atomarenAufbaus der Materie einfach erklären lassen.
Nachdem man gesehen hatte, dass von Atomen sowohl negative als auch positive
Teilchen ausgesendet werden können, entwickelte J. Thomson 1904 ein neues
Modell. Atome sollten demnach kompakte Kugeln sein, in denen Masse und
positive Ladung gleichmäßig verteilt und die Elektronen wie Rosinen in einem
Kuchen eingebettet sind.
Wenige Jahre später zeigten Experimente die Unzulänglichkeiten dieses Modells
auf. Beim Beschuss von Metallfolien mit a-Teilchen stellte E. Rutherford 1911
fest, dass Atome nicht massive Kugeln sein können, sondern viel leeren Raum
enthalten müssen. Rutherford hatte damit den Atomkern entdeckt. Die Elektronen
sollten sich auf Bahnen um denAtomkern bewegen.
Die Weiterentwicklung dieser Vorstellung führte zum auch heute noch häufig
verwendeten Bohr´schen Atommodell. Die Elektronen können sich hier nur in
ganz bestimmten Energiezuständen und damit auf ganz bestimmten (den
stationären) Bahnen bewegen.
Die Welt des Mikrokosmos
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Atomkern
Linienspektrum
Elektron
E1 E2 E3
Strahlung
Das Bohr´sche Atommodell kann nicht erklären, warum die Elektronen nicht ständig Strahlung aussenden und in
den Kern stürzen.
O
rbita
l
Mit dem Bohr´schen
Atommodell konnte man
erstmals erklären, warum
heiße Gase ein Linienspektrum aussenden.
Atomkern
In der Sicht der Quantenmechanik werden aus den
Elektronenbahnen Orbitale. Sie geben an, wo sich ein
Elektron mit wie großer Wahrscheinlichkeit befindet.
Erfolg und Misserfolg des Bohr´schen Atommodells
Zelle
Molekül
Atom
Atomkern
Nukleon
Quark
Elektron
-5
-9
10 m
-10
10 m
10 m
-14
10 m
-15
-18
10 m
<10 m
HADRONEN
LEPTONEN
bestehen aus Quarks
elementar
Baryonen
Mesonen
3 Quarks
Quark + Antiquark
Elektron
Myon
Tauon
Neutrino Neutrino Neutrino
3 Familien Leptonen
up
down
strange
charme
bottom
top
1 l Wasser
e
tt
ke
3 Familien Quarks
Proton
0k
m
0
00
l
kü 0 00
e
l
0
o
M
00
0
33
Neutron
33 000 000 000 000 000 000 000 000
Moleküle
up-Quark
down-Quark
Standardmodell der Teilchenphysik
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Die Welt des Mikrokosmos
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