- Einführung in die Physik -

Prof. Dr. Ulrich Hahn

WS 2015/2016

Physik I im Studiengang Elektrotechnik

Einführung 2

Physik – eine Naturwissenschaft

Deutung, Erklärung, Quantifizierung von

- Naturvorgängen

- Eigenschaften von Körpern

- Aufbau der Materie

Technische Anwendungen

Natur

leblos lebendig

Physik

Chemie anorganisch

Chemie organisch

Biochemie

Biologie

Einführung 3

Laser

Supraleitung

Gebiete der Physik

• Atomphysik

• Festkörperphysik

• Kernphysik

• Elementarteilchenphysik

• Astrophysik/Kosmologie

• Mechanik Bewegungen von Körpern

• Thermodynamik Wärme, ~transport

• Akustik Schall, Wellen

• Optik Licht

• Elektrodynamik Elektrizität, Magnetismus

• Mechanik

• Akustik

• Thermodynamik

• Elektrodynamik

• Optik

Einführung 4 Sensorik, Messtechnik, Umwelttechnik

Welche Gebiete braucht die Elektrotechnik?

• Atomphysik

• Festkörperphysik

• Kernphysik

• Mechanik

• Akustik

• Thermodynamik

• Elektrodynamik

• Optik

Antriebs-, Automatisierungs-, Gebäudesystemt.

Energie-, Umwelt-, Gebäudesystemtechnik

Werkstoffe, Bauelemente, Halbleiter

Kernkraftwerke

Nachrichtentechnik

Beschallung, Maschinen, Umwelttechnik

Einführung 5

wie wird das Wissen gewonnen? Physikalischer Erkenntnisprozess

Natur beobachten

Experimente

(definierte Bedingungen)

Zusammenhänge zwischen Para-

metern/Einflußgrößen suchen

Verallgemeinerung

mathematische Formulierung

„Naturgesetz“

Ableiten anderer Zusammenhänge

(Deduktion von Naturgesetzen) Technik

Anwendung

Modelle

Simulation

Verfeinern prüfen

prüfen

Einführung 6

Geltungsbereich von Naturgesetzen

Proton

10-15 m

Atom

10-10 m

Virus

10-7 m

Mensch

1,75 m

Erde

107 m

Sonnen-

system

1013 m

Galaxis

1021 m

Mikrophysik klassische Physik

„direkt“ erfahrbar

Quantentheorie „Schulphysik“ Relativitätstheorie

Wirkung << h Geschw. << c

einheitliche Theorie ???

Makrophysik

Einführung 7

Prinzipien der klassischen Physik

Teilsystem 2 Teilsystem 1

Komplexes System • Zerlegung:

• Stetigkeit:

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5

• Kausalität: Ursache Wirkung Zeitliche

Abfolge

• Objektivierbarkeit: Beobachtung beeinflusst nicht

das beobachtete Objekt • Objektivierbarkeit:

Einführung 8

Physikalische Größen beschreiben Eigenschaften Zustände physikalischer Objekte/Systeme Vorgänge

messbar Physikalische Größe = Zahlenwert * Einheit (wieviel) (was)

G = {G} * [G]

möglichst genau unabhängig vom Messort und -zeit leicht verfügbar das Einsatzgebiet abdecken

Messverfahren für die

Einheit festlegen

i. a. mehrere Messverfahren

unabhängig von der Wahl der Einheit

physikalische Gesetze: Verknüpfung physikalischer Größen

unabhängig von der Wahl der Einheiten

andere Zahlenwerte

Einführung 9

Basisgrößen & Maßsysteme

Viele physikal. Systeme Viele physikal. Größen

Viele Messverfahren

Physikalische Gesetze (Verknüpfung physikal. Größen)

Reduktion auf Basisgrößen

minimal: c g s – System: Centimeter - Länge Gramm - Masse Sekunde - Zeit

Gebräuchlich: m k s A – System:

K m

kg

s

A

Cd mol

Meter - Länge

Kilogramm - Masse

Sekunde - Zeit

Ampere - Stromstärke

Kelvin - Temperatur

Candela - Lichtstärke

mol - Stoffmenge

Einführung 10

Rechnen mit physikalischen Größen Größenvorsätze

10-15 Femto

10-12 Piko

10-9 Nano

10-6 Mikro

10-3 Milli

100

103 Kilo

106 Mega

109 Giga

1012 Tera

1015 Peta

Deka

Hekto

100

101

102

Zenti

10-1 Dezi

10-2

Molekül 1*10-9 m

Atom 1*10-10 m

Atomkern 1*10-14 m

Planetensystem 6*1012 m

Sonne 1,4*109 m

Erde 1,3*107 m

Mt. Everest 8,8*103 m

Mensch 1,75 m

Chip-Leitung 1,3*10-6 m

Regentropfen 1*10-3 m

Lichtjahr 9,5*1015 m

Merke:

Größenordnung:

10 x

Einführung 11

Rechnen mit physikalischen Größen

Basisgrößen Abgeleitete Größen

immer: Verknüpfung unterschiedlicher (Basis)größen durch Punktrechnung!

E = {E}*[E] : = G/H

E = {G}*[G]/{H}*[H] = {G}/{H}*[G]/[H]

{E} = {G}/{H}; [E] = [G]/[H]

E = {E}*[E] : = G + H

E = {G}*[G] + {H}*[H] {E}*[E]

Dimensionsprobe:

Ergibt die Berechnung die Einheit der gesuchten Größe?

Haben alle Summanden die gleiche Einheit?

aber: E = {G1}*[G] + {G2}*[G] E = {G1 + G2}*[G]

Einführung 12

Gültige Stellen

Physikal. Größe

Beschränkte

Genauigkeit

Messung Zahlenwert*Einheit

Berechnung

Eingangsgrößen Gültige Stellen

Einfluss der Messgenauigkeit:

Gültige Stellen: Gesicherte Ziffern des Zahlenwertes, außer

den die Größenordnung festlegenden Nullen

wissenschaftliche Notation: {G} = A*10b ; 1

gültige Stellen: gesicherte Ziffern von A

gültige Stellen bei Verknüpfungen:

Strichrechnung:

keine gültige Stelle jenseits der gemeinsamen gültigen Dezimalstellen

Punktrechnung:

kleinste Zahl der gültigen Stellen in allen Faktoren