Physik A

Wintersemester 2012/2013

Dr. Johann P. Klare

FB Physik, Universität Osnabrück

Übungsgruppen

Tag Zeit (c.t.) Raum

Montag 10:00-12:00 IG1 85

10:00-12:00 IG1 87

14:00-16:00 IG1 87

Dienstag 10:00-12:00 IG1 87

10:00-12:00 AP 222

14:00-16:00 IG1 719

16:00-18:00 IG1 85

Mittwoch 8:00-10:00 IG1 619

10:00-12:00 KP303

12:00-14:00 IG 619

14:00-16:00 IG1 618

Freitag 10:00-12:00 AP 222

14:00-16:00 IG1 619

14:00-16:00 IG1 618

Physik

„Der Physiker stellt Experimente an, beobachtet Regelmä-

ßigkeiten, formuliert diese in mathematischen Gesetzen, sagt

mit Hilfe dieser Gesetze neue Erscheinungen voraus, vereinigt

die verschiedenen empirischen Gesetze zu zusammenhängenden

Theorien, die unserem Bedürfnis nach Harmonie und logischer

Schönheit genügen, und schließlich prüft er diese Theorien

wieder durch Vorhersagen."

Max Born, Nobelpreisträger 1954:

Physik = Wissenschaft von der unbelebten Natur

(griechisch: Physike episteme = Wissenschaft von der Natur)

genauer:

Physik ist die Wissenschaft von den fundamentalen Aspekten der Natur,

dem Aufbau und Bewegung der unbelebten Materie

und den sie hervorrufenden Kräften und Wechselwirkungen

Physik

Grundlegendste aller Wissenschaften

Beschreibung der der Struktur der Materie und Strahlung

Beschreibung aller (!) Vorgänge in der Natur

Einteilung

“Klassische Physik”

• Klassische Mechanik

• Strömungslehre

• Thermodynamik

• Akustik

• Optik

• Elektrizität

• Magnetismus

“Moderne Physik”

• Quantenmechanik

• Relativitätstheorie

• Atomphysik

• Kernphysik

• Teilchenphysik

• Astrophysik

Alle Wissenschaftler nutzen die Physik als fundamentale Basis:

Physiker, Chemiker, Biologen, Ingenieure, Astronomen, Mathematiker und Geologen.

Physik A

Themen der Vorlesung:

1. Einleitung: Grundbegriffe der Physik, Größen und Einheiten, Messungen

und Messfehler

2. Kinematik: Bewegungen, Geschwindigkeit, Beschleunigung

3. Statik starrer Körper: Kräfte, Kräftegleichgewichte, Drehmoment

4. Arbeit und Energie

5. Impuls und Stöße

6. Drehbewegung und Drehimpuls

7. Festkörper

8. Flüssigkeiten

9. Hydrodynamik

10. Schwingungen und Wellen

11. Thermodynamik: Temperatur, Wärme, Hauptsätze, ideale und reale Gase

12. Elektrostatik

13. Magnetismus

14. Elektrodynamik

15. Strahlenoptik (geometrische Optik)

16. Wellenoptik

17. Atom-, Kern- und Teilchenphysik

Beobachtungen und Experimente

• Einer der Grundlegendsten Aspekte der Wissenschaft ist die Beobachtung.

Wiederholte und aufmerksame Beobachtung

des Verhaltens der Materie

(oder allgemein der Welt):

Erkennen von Gesetzmäßigkeiten (→ Gesetz)

Versuch der Beschreibung des beobachteten

Verhaltens

Verständnis des beobachteten Verhaltens

(→ Entwicklung von Modellen und Theorien)

• Überprüfung der Modelle, Theorien und Gesetze indem Vorhersagen über das Verhalten

des Systems durch Experimente überprüft werden.

Beobachtungen und Experimente

Experimente erlauben die wiederholte Beobachtung des Verhaltens eines Systems unter

(möglichst) kontrollierten (reproduzierbaren) Bedingungen.

Experimente liefern meist Messwerte

= quantifizieren eine oder mehrere Größen

(z.B. Temperatur oder Geschwindigkeit),

die miteinander in Zusammenhang gebracht werden können

und zu Gesetzen in Form von Beziehungen oder Gleichungen führen können.

Experimente sind geeignet:

- Gesetze zu überprüfen und

- mit stetig verfeinerten Messverfahren den Gültigkeitsbereich dieser Gesetze zu bestimmen.

Modelle, Theorien und Gesetze

Modell

• Analogie bzw. mentales Bild eines Phänomens

• Beispiel: Wellenmodell des Lichtes – Analogie zu Wasserwellen

• Modelle vermitteln häufig ein tieferes Verständnis

und

erlauben potentielle Rückschlüsse auf das Verhalten des untersuchten Systems

(→ Planung von Experimenten zur Überprüfung)

aus der Analogie zu etwas Bekanntem.

Christiaan Huygens(1629-1695)

Modelle, Theorien und Gesetze

Theorie

• Verwendung der Begriffe Modell und Theorie häufig synonym!

• Aber: Theorien sind komplexer, detaillierter

und häufig in der Lage, mehrere Phänomene (häufig präzise) zu erklären.

• Beispiele: Atomtheorie der Materie - sehr erfolgreich, nicht umfassend, aber in der Lage

zahlreiche Phänomene zu erklären und zu beschreiben.

aber auch (s.o.)

Wellentheorie des Lichtes (↔ Wellenmodell) – ebenfalls sehr erfolgreich,

erklärt Ausbreitungsverhalten, Interferenz und Beugung.

Modelle, Theorien und Gesetze

Gesetz • Prägnante, allgemeine Aussage über das Verhalten der Materie.

• Beispiel: Energieerhaltung

• Häufig nimmt ein Gesetz die Form einer Beziehung oder Gleichung zwischen

verschiedenen Größen an.

• Beispiel: Newtons zweites Axiom:

„Kraft gleich Masse mal Beschleunigung“

Hinweis: Kraft F und Beschleunigung a sind vektorielle Größen

= haben einen Betrag und eine Richtung (siehe VL 3 & 5)!

• Der Ausdruck „Gesetz“ wird (in der Wissenschaft) genutzt, wenn die Gültigkeit über

einen breiten Bereich an Anwendungsfällen überprüft worden ist,

und

Begrenzungen und Gültigkeitbereich klar sind.

!!! Neue Informationen (z.B. durch neue experimentelle Möglichkeiten, Verfeinerung von

Messverfahren etc.) können dazu führen, dass Gesetze modifiziert oder sogar verworfen

werden müssen!!!

amF

(aus: Richard Dawkins,

„The God Delusion“

übers.: „Der Gotteswahn“,

Ullstein)

(aus: Richard Dawkins,

„The God Delusion“

übers.: „Der Gotteswahn“,

Ullstein)

Literatur / Lehrbücher

[1] Giancoli, Douglas C. (2006), Physik, Pearson, ISBN 978-3-8273-7157-7

[2] Stroppe, H., Physik – für Studenten der Natur- und Technikwissen-

schaften, Carl Hanser Verlag

+ Physik – Beispiel und Aufgaben, Band 1 & 2

[3] Harten, U., Physik – Einführung für Ingenieure und Naturwissen-

schaftler, SpringerVerlag

[4] Vogel, H., Gerthsen Physik, Springer Verlag

. . . .

Physik im Alltag

• Blauer Himmel und

rote Sonnenauf- und -untergänge

→ Optik

• Gravitationskräfte zwischen Sonne

und Mond erzeugen Ebbe und Flut

→ Mechanik

• Wellen brechen sich am Strand,

Strömungen entstehen

→ Hydrodynamik

• Warme Luft steigt über dem Wasser auf, kühle Luft fließt vom Land her nach

→ Wärmelehre

Physik im Alltag

• Schall breitet sich in der Luft aus,

das Ohr nimmt ihn auf

→ Akustik, Wellenphysik

• Surfen, Segeln, Drachenflug

→ Mechanik

• Auto, Fahrrad, Flugzeug

→ Mechanik, Elektrizität

• Computer, Handy

→ Elektrizität, Festkörperphysik

Aktuelle Themen/Forschungsgebiete der Physik

Quantenphysik:

Informationsverarbeitung,

Quanten-Teleportation,

neue Datenübertragungstechniken

Festkörperphysik:

neue Nano-Materialien,

intelligente WerkstoffeKohlenstoff-

Nanoröhrchen

(„Nanotubes“)

Optik:

neue Laser,

optische Datenspeicherung