Institut für Physik - Universität Rostock - Kapitel 0:...

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Einführung in die Physikfür

Maschinenbauer

WS 2010/2011Universität Rostock

Heinrich Stolzheinrich.stolz@uni-rostock.de

Kapitel 0: Einführung

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Zuerst: Fragen

• Physik bis Abi• Leistungskurs Physik• Assesmentcenter TU9 ?

• Lehrbuch : Heribert Stroppe PhysikHanser Verlag

• Preis (ab 200 Stück) 23€

Was ist Physik ?

Aristoteles, Physik (= Natur)

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Physik des Aristoteles entstehtaus Naturbeobachtung

Grundgesetz der Bewegungslehre:

Alle Körper bewegen sich von selbst auf ihrennatürlichen Ort zu.

Aristoteles (384-322 v. Chr.), griechischer Philosoph. Zusammen mit Platon und Sokrates gehört er zu den berühmtesten und bedeutendsten Philosophen des Altertums

Optische Täuschungen

• Unsere Sinnetäuschen uns !

• Der Keil hat überallden gleichenGrauwert

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Optische Täuschungen

• Unsere Sinnetäuschen uns !

• Wasser fließtaufwärts

Optische Täuschungen

• Unsere Sinnetäuschen uns !

• Beide Quadrate haben den gleichenGrauwert

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Optische Täuschungen

• Unsere Sinne täuschen eine Dynamik vor !

Methode der Physik: Galiliei

• Durchführung von ExperimentenMessergebnisse:

Zahl ● Maßeinheit

(Objektive Messungen)

• Mathematische Modelle

Die Sprache der Natur istdie Mathematik

Galilei, Galileo (1564-1642),italienischer Physiker, Mathematiker, Philosoph und Astronom.

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Was ist Physik?

• Die Physik besteht darin, durchgezielte Experimente Theorien, d.h. mathematisch formulierteNaturgesetze, über die Natur zutesten.

• Ziel ist, in einer möglichsteinheitlichen Beschreibung, alles in der Natur zu verstehen.

Physik und Technik?

• Technik: Anwendung der

physikalischen Naturgesetzeum neue Systeme, Prozesseetc. zu erzeugen, die vom

Menschen beherrscht werden

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Einteilung der Physik?

Mechanik

Quantenmechanik

Elektromagnetismus

Optik

Quantenfeldtheorien,Quantenoptik

ThermodynamikMakrophysik

MakroskopischeQuantensysteme

Kosmologie Gravitationstheorie

(Einstein)

Mathematische Modellierung:

1.Messen der physikalischen Größen: Vergleich mit einem Normal

2.Physikalische Größe: Zahl X Maßeinheit

3.Normale: Genauigkeit, Reproduzierbarkeit

4.Güte der Messung: systematische Fehler, Genauigkeit

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• Historisch: menschliche Maße: Fuß, Elle Seit der Französischen Revolution:

1m = 1/40 000 000 Erdumfang1875: Paris, Urmeter

• Aktuell: 1960: Wellenlänge einer Fluoreszenz-Linie des

Krypton-Isotops 86

1983: Das Meter ist die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während eines Zeitintervalls

von 1/299792458 s durchläuft

Länge : reelle Zahl x Längeneinheit

Zeit

•Historisch: Pulsschlag, Pendel

•bis 1960: mittlerer Sonnentag

•Aktuell:

Eine Sekunde ist das Zeitintervall, währenddessen die Cäsium-Atomuhr

9 192 631 770Schwingungen macht

Relative Genaugkeit :

9

Cs-Atomuhr

Cs-Atomuhr

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Nobelpreis für Physik 2006: Lichtuhr

• Theodor Hänsch

• Max-Planck-Institut für Quantenoptik,

• München

Eigentlicher Erfinder

Einsteins Lichtuhr

S1 S2

I

t

c/2L c/2L

T TL

Laserpuls

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Einstein und die LichtuhrEinsteins Lichtuhr: fs- Laser

S1 S2

I

t

c/2L c/2L

T TL

Laserpuls

Thermodynamik

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Stirling-Motor

Kreisprozess

im pV-Diagramm

Optik

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Newtons 1. Prismenversuch

Weißes Licht kann mit einem Prisma in die Spektralfarben zerlegt werden

Farbige Schatten

• Schon Goethe beschäftigte sich in seiner Farbenlehre mit farbigen Schatten

Sch

irm

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Auf einer Harzreise im Winter stieg ich gegen Abend vom Brocken herunter, die weiten Flächen auf-und abwärts waren beschneit, die Heidevon Schnee bedeckt, alle zerstreut stehenden Bäume und vorragendenKlippen, auch alle Baum- und Felsenmassen völlig bereift, die Sonnesenkte sich eben gegen die Oderteiche hinunter.

Waren den Tag über, bei dem gelblichen Ton des Schnees, schon leiseviolette Schatten bemerklich gewesen, so mußte man sie nun fürhochblau ansprechen, als ein gesteigertes Gelb von den beleuchtetenTeilen widerschien.

Als aber die Sonne sich endlich ihrem Niedergang näherte und ihrdurch die stärkeren Dünste höchst gemäßigter Strahl die ganze michumgebende Welt mit der schönsten Purpurfarbe überzog, da verwandeltesich die Schattenfarbe in ein Grün, das nach seiner Klarheit einemMeergrün, nach seiner Schönheit einem Smaragdgrün verglichen werdenkonnte.

Die Erscheinung ward immer lebhafter, man glaubte sich in einerFeenwelt zu befinden, denn alles hatte sich in die zwei lebhaften und so schön überein-stimmenden Farben gekleidet, bis endlich mit demSonnenuntergang die Prachterscheinung sich in eine graue Dämmerung, und nach und nach in eine mond- und sternhelle Nacht verlor.

Licht als Welle

Kann man einen Lichtstrahl beliebig dünn machen?

Spalt

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Spalt

Beugung am Spalt

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Interferenz am Doppelspalt

+

Photoeffekt Hallwachs, Hertz (1887)

Einstein (1905), Millikan (1920)

21v

2m h

Geburtsstunde der Quantenoptik

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Unser heutigesphysikalisches Weltbild:

Materie

•hierarchischer Aufbau

•Elementarteilchen

Kräfte

• Felder

• Quanten

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Unser heutiges physikalisches Weltbild:Elementarteilchen

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Die 4 fundamentalen Kraft-Felder

Merke:

Nach der Quantenfeldtheorie bestehen auch die Felder aus Teilchen und die

Elementarteilchen sind Felder

(Welle-Teilchen-Dualismus)

FarbfeldSchwaches Feld

Elektromagnetisches Feld Schwerefeld

Ziel der Vorlesung Physik für Maschinenbauer

• Einführung in die Denkweise der Physik

• Überblick über die Felder der Physik

• Nicht: Einübung von Klausuraufgaben,dazu Übung

• Dazu notwendig:– Vor und Nachbereitung der Vorlesung

anhand von Lehrbüchern„Stroppe: Physik f. Ingenieure“