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PN 1Einführung in die Experimentalphysik für

Chemiker und Biologen

Karin Beer, Paul Koza, Nadja Regner, Thorben Cordes, Peter Gilch

Lehrstuhl für BioMolekulare OptikDepartment für Physik

Ludwig-Maximilians-Universität München

27.10.2006

Die Physik im Überblick

Die fundamentalen Kräfte

Gravitations-kraft

Elektrische Kraft

Starke Kernkraft

Schwache Kernkraft

Mechanik Elektrodynamik

SpezielleRelativtätstheorie

AllgemeineRelativtätstheorie

Quantenmechanik,Quantenelektrodynamik

Statistische Physik, Thermodynamik Kern- und Teilchenphysik

Angewandte Physik: Astrophysik, Biophysik, Atomphysik, Optik, ...

Im Anfang war (ist) die Messung

Galileo Galilei1564 - 1642

Galilei (und andere) stellten Beobachtungund Experimente bestehenden Weltbilderngegenüber.

Geburt der modernen Naturwissenschaftmit diesem Vorgehen (vereinfacht):1. Beobachtungen und Experimente: Messungen2. Extraktion von allgemeinen Prinzipien (oft

in mathematischer Form)3. Vorhersagen aus diesen Prinzipien formulieren4. Experimentelle Überprüfung der Vorhersagen5. Bei Erfolg: Naturgesetz (siehe aber Herr Popper)

Was heißt messen?

„Ablesen, was das Instrument anzeigt“

Vergleich einer Größe mit einem Referenzwert

Wie breit ist der Liebig-Hörsaal?

Fehler bei Messungen ...

... werden in der Übung und im Praktikum ausführlich behandelt.

Einige Stichworte:• Zufällige und systematische Fehler• Mittelwert• Fehler der Einzelmessung• Fehler des Mittelwertes• Gauß-Verteilung

Literatur:• „Mathematik für Chemiker“, H.G. Zachmann, VCH (Theorie)• Praktikumsanleitungen

Arten von Meßgrößen

Skalare Größen

Zahlenangabe • Einheit(oder nur Zahlenangabe)

Vektorielle Größen

Zahlenangabe • Einheitund Richtung, 3 Angaben

Tensorielle Größen

Zahlenangabe • Einheitin Matrix

x

y

z

SI-Einheiten-SystemDie Gesetze der Physik stellen mathematische Beziehungen zwischen physikalischen Größen her. Über diese Beziehungenlassen sich zusammengesetzte Einheiten definieren und manbraucht nur wenige Basis-Einheiten.

sSekundeZeit

cdCandelaLichtstärkemolMolStoffmengeKKelvinTemperaturAAmpereStromstärkekgKilogrammMassemMeterLänge

Vorsilben von Exa (E,1018) bis Atto (E,10-18)

Es gibt aus historischenund praktischen Gründenviele andere, auch heutegebräuchliche Einheiten!

Zeit - Sekunde

Ursprüngliche Definition:

6060241⋅⋅

eines Erdentages

Heute

Hyperfein-Übergangvon Cäsium-133

9 192 631 770 Schwingungensind eine Sekunde

Nutzung periodischer Vorgänge!

Dank Prof. Hänschbald noch genauer

Länge - Meter

Auch das Urmeter hat ausgedient!

Heutige Definition des Meters:Strecke die Licht im Vakuum in einer Zeit von 1/299 792 458 s durchläuft!

Wie verhalten sich Körper in Raum und Zeit –Bewegungen

Wie sieht die Bahn eines Körpers im Raum aus?

Experiment Geschwindigkeit einer Pistolenkugel

Lineare unbeschleunigte BewegungExperimentTropfenwagen

Zeit

Zeit

Zeit

Weg

Ges

chw

indi

gkei

tBe

schl

euni

gung

Lineare beschleunigte Bewegung

Zeit

Zeit

Zeit

Weg

Ges

chw

indi

gkei

tBe

schl

euni

gung

ExperimentTropfenwagen

Bewegung in drei Dimensionen Wiederholen Sie Vektor-Rechnung!

xy

z

Die Komponenten (x,y,z) einer Bewegung beeinflussen sich nicht!

Experiment Dartscheibe

Abwurf des Pfeils löst Klammer aus.Wird Scheibe getroffen?

Was ist die „Ursache“ von Bewegungen?

Unser 1. Held: Sir Isaak Newton

• 4. 1. 1643 - 31. 3. 1727• beginnt mit 18 Jahren Studium in Cambridge• Arbeiten zur Lichtbrechung (Prisma)• Spiegelteleskop• Entwicklung der Infinitesimal-rechnung (Prioritätenstreit mit Leipniz)• Aufbauend auf Arbeiten von Galilei und Kepler entwickelt er seine Himmelsmechanik• 1686 Hauptwerk „Philosophiae naturalis principia mathematica “• 1696 – 1699 Arbeiten zur Münz-prägung• Beiträge zur Wärmelehre