1. Einführung in den Gegenstand Physik

Einführung in Physik 6. Klasse

1. Einführung in den Gegenstand Physik

1.1 Einleitung

Ausgangspunkte:

Natur verstehen Natur nutzbar machen

( Erkenntnisdrang ) Entmystifizierung der Natur

( Lebensbewältigung )

Führe Aufgaben A1, A2, A6 Seite 5 Basiswissen 5RG


Teilgebiete - Anwendungen


Die Die Physik Physik

befasst sich mit der befasst sich mit der Erforschung der NaturgesetzeErforschung der Naturgesetze

und der und der Beschreibung der Beschreibung der

Naturerscheinungen Naturerscheinungen mit Hilfe dieser Gesetze im mit Hilfe dieser Gesetze im

Bereich der unbelebten NaturBereich der unbelebten Natur..

Merksatz


Postkarte mit den Gesetzen der klassischen Physik


Historischer Abriss:Ägypter - GriechenDemokrit: Atome; Eratosthenes: Erdradius; Aristarch: Ansätze eines heliozentr. WB;Archimedes: Hebel;Ptolemaios: Geozentr. WBKopernikus (1473 - 1543) heliozentr. WBGalilei (1564 -1642) Begründer der heutigen naturwissenschaftlichen Methode. Begründer der experimentellen Physik.Von hier an nahm die Naturwissenschaft einen großen Aufschwung.Newton (1643 - 1727) Er schuf die theoretischen Grundlagen für die Mechanik.Watt (1768 Dampfmaschine - Zeitalter der Technik)17. Jahrhundert: Mechanik, Optik18. Jahrhundert: Ausbau der Mechanik; Maschinen19. Jahrhundert: Elektrizität und WärmelehreZusammenhang: Strom - Magnetfeld. Oersted (1820)Induktionsgesetz: Faraday (1832) Dynamoelektrisches Prinzip: Siemens (1867) (→Generatoren)Elektromagnetische Wellen: Maxwell: Optik ist ein Teilgebiet der Elektrizität.20. Jahrhundert: Zwei große Forschungsrichtungen:a) Atomphysik, Quantentheorie, Elementarteilchen.b) Weltraumforschung, Sterne, Kosmologie, Relativitätstheorie


1.2 Die naturwissenschaftliche Methode:

• Naturvorgänge sind oft kompliziert und schwer beobachtbar (z.B. Untersuchung von Blitzen)

• Beim Experiment lassen sich die einzelnen Größen leichter messen.

• Experimente können jederzeit (??) wiederholt werden.• Das Experiment stellt eine Frage an die Natur. Antwort in

Form von Messergebnissen.

Lies B. S. 8 /2. Spalte

Experimente:


Sprache der Physik: Mathematik

Zwei wichtige Vorgangsweisen:

a) Aus Ergebnissen eines Experiments ( Messreihen) wird ein physikalisches Gesetz hergeleitet.

d. h. Aus Einzelbeobachtungen → allgemeingültiges Gesetz.

Induktives Verfahren.

z. B. Ohmsches Gesetz, Fallgesetz


b) Intuition: Nicht alles wurde schon beobachtet.

Hypothese: (unbewiesene Annahme) wird an den Anfang gestellt. Mit Hilfe mathematischer Methoden wird daraus eine Theorie entwickelt, die das Naturgeschehen beschreibt und begründet.

Bereits Erwiesenes darf dadurch nicht falsch werden.

Deduktives Verfahren.

Nachweis der Theorie durch Experimente.

Voraussagen müssen möglich sein.


1.3 Größen und Einheiten:

Physikalische Größen sind messbare Eigenschaften von Objekten.

Sie bestehen aus Zahlenwert und Maßeinheit.

vernünftig anerkannt

Beispiele: l=3m; t = 4s; ...

Wir unterscheiden:Grundgrößen und abgeleitete Größen:


Schreibe die Tabelle aus dem Buch S. 6 Vorsilben ab!


Entfernung Erde-Sonne: dErde-Sonne150 Mill.km= 1,5·1011m

Entfernung Erde-Mond: dErde-Mond384000km=3,84·108m

Erdradius: rErde6370km=6,37·106m

Atomgröße: rAtom10–10m

Kerngröße: dAtomkern10–15m

Lichtgeschwindigkeit: c300000km/s=3·108m/s

Masse eines H-Atoms: mH1,67·10–27kg

Anzahl der H2O-Moleküle in 18 g: 6·1023 (Loschmidtsche Zahl)


1.3.1 Die Längenmessung

Definition der Längeneinheit:

1m ist der 40 Millionste Teil des Erdumfanges.

Später Urmeter in Sevres bei Paris ( aus Platin und Iridium )

1792 Vermessung Dünkirchen - Barcelona

Lit: Ken Alder: Das Maß der Welt, Goldmann Verlag, Juni 2005

1875: Internationale Meterkonvention (Staatsvertrag, den auch Österreich-Ungarn unterzeichnete)


Problematik des Urmeters:

Mikroskop. Aufnahme des mittleren Striches.


Sevres bei Paris aus Platin-IridiumSevres bei Paris aus Platin-Iridium

22. Juni 179922. Juni 1799


Derzeit gültige Meterdefinition:Seit 1983:

1 Meter ist gleich der Strecke, die das Licht im leeren Raum in einer Zeit von 1/299792458 s zurücklegt.

[l] = m Basisgröße

Bereich der heute zugänglichen Distanzen 10-18 m bis 1026 m.

Vergl. B. (Basiswissen 5) S. 15

Messungen sind generell mit Messfehlern behaftet. Man kann daher die Messwerte nur bis auf diesen Messfehler (l) genau angeben.


Messgeräte: mechanische Längenmessung:

Maßband, Maßstab (1-10m; l=1cm)

Schublehre (10 cm; l=0,1mm)

Nonius: 10 Skalenteile der Noniusskala decken sich mit 9 Skalenteilen der Hauptskala.

Noniusskala

Hauptskala


Nonius


Mikrometerschraube: Messgenauigkeit: Δl = 0,01 mm

Lies ab!


Größere Distanzen

Trigonometrische Längenbestimmung:

Abstecken einer Standlinie.

Messen von Winkeln mit dem Theodolith.

Berechnen mit Hilfe trigonometr. Funktionen.


Größere Distanzen:

Laufzeitmessungen (z. B. Radar, Infrarot, Ultraschall)Grundlage: Lichtgeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit


Kleinere Distanzen: Optische Methoden (Interferometrie)

Aufgabe: Miss die Dicke eines Blatts deines Physikbuchs mit einer Schublehre!

Gehe wie im Buch BW 5 S. 12 vor!

Fertige ein Protokoll dazu an!

Gib dazu den relativen Fehler an:

Relativer Fehler = l

l


1.3.2 Die Zeitmessung

Grundlage: periodische Vorgänge

Alte Definition: 1s ist der 86400-te Teil eines mittleren Sonnentages.

Neue Definition seit 1967:Die Sekunde ist gleich der Dauer der von 9.192.631.770 Schwingungen der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des Caesium-Atoms-133 entspricht.

[t] = s Basisgröße

Die Definition basiert auf der Atomuhr.

Man sieht dabei, dass zur Angabe einer Maßeinheit auch die Messmethode überlegt werden muss.

Die Richtigkeit der Zeit kann nur mit einer zweiten gleichgebauten Uhr festgestellt werden. Die Abweichung dieser beiden Uhren voneinander gibt den Messfehler an.


Zeitbereiche: 10-24s (Lebensdauer der instabilsten Elementarteilchen) bis 1018s (Alter des Universums)vgl. B. S 17

Messgeräte: Uhren

Wichtigste Bestandteile einer Uhr:

• Periodischer Vorgang

• Antrieb

• Rückkopplung

Pendeluhr: (B. S. 16) (Folie)Periodischer Vorgang: PendelschwingungAntrieb: UhrgewichtRückkopplung: mechanisch Anker

Atomuhr: Genauigkeit: Δt = 10-12s

Je höher die Frequenz einer Uhr ist, desto genauer ist sie.

Einführung in Physik 6. KlasseSt. Sebaldus NürnbergSt. Sebaldus Nürnberg

Einführung in Physik 6. Klasse1656 Christian Huygens1656 Christian Huygens

Einführung in Physik 6. KlassePhysikalisch-Technische Bundesanstalt BraunschweigPhysikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig


Ende

UTC ( koordinierte Weltzeit)

TAI (internationale Atomzeit)


1.3.3 Die MasseSie ist ein Maß für träge und schwere Eigenschafteneines Körpers. (später Erklärung)

1kg ist so schwer wie das Pariser Urkilogramm.

[m] = kg … Basisgröße

Sollte gleich der Masse von 1dm3 Wasser bei 4°C sein.(Wasser ist etwas leichter (0,028 g )

Massenbereiche: 10-30kg (Elektronenmasse) bis 1042kg (Milchstraße)

Messgeräte: Waagen

Massensatz (1,2,5) zum Vergleichen.

Vgl. BW 5 S. 19


1.3.3.1 Die Dichte

Zum Vergleich verschiedener Stoffe führen wir eine weitere Größe ein.

Volumen

MasseDichte

V

m

Die Dichte ist eine abgeleitete Größe.

Einheiten: 1 kg/m3, 1 kg/dm3, 1 g/cm3

Umrechnung: 1 kg/dm³ = 1000 kg/m³ 1 g/cm³ = 1 kg/dm³ Rechne nach!

Aufgabe: Bestimme die Dichte mehrerer Körper!

Beispiele für Dichten: v gl. BW 5 S. 18


Balkenwaage

Sie vergleicht die Masse des Körpers mit Massestücken von einem Massensatz.

Massensatz

Miss zuerst die Masse von verschiedenen Körpern, dann deren Volumen!

m1 = V1 = ρ1 =

m2 = V2 = ρ2 =

m3 = V3 = ρ1 =

Vergleiche auch mit einer elektronischen Waage!

Schaue in der Tabelle nach!


1.3.4 Messfehler

Es gibt 2 Gruppen von Fehlern:

• Systematische Fehler: z. B. falsch eingestelltes Messgerät, ..

Sehr oft wird bei der Angabe eines Messwertes auch seine Genauigkeit angegeben.

z. B. l = (5,71 ± 0,01)mm oder 5,71(1)mm

kurz: l = 5,71mm, d.h. auf 2 Dezimalen genau

Beachte: 5,71 5,710

• Statistische Fehler: Sie treten bei jeder Messung auf und können nie zur Gänze ausgeschaltet werden.


Meist wird eine Messreihe durchgeführt und davon der Mittelwert gebildet.

absoluter Fehler: Abweichung vom tatsächlichen Wert (oder Mittelwert)

relativer Fehler: = [%]100Werthertatsächlic

Fehler absoluter

Berechne den relativen Fehler einer Quarzuhr und einer Schublehre.

a) 1ms/d b) 0,1mm/10cm

Lsg: a) 1,15.10-6 % b) 0,1 %

Ende


Quantity Unit DefinitionLength metre m The metre is the length of the path travelled by light in vacuum

during a time interval of 1/299 792 458 of a second.Mass kilogram kg The kilogram is the unit of mass; it is equal to the mass of the

international prototype of the kilogram.Time second s The second is the duration of 9 192 631 770 periods of the

radiation corresponding to the transition between the two hyperfinelevels of the ground state of the caesium 133 atom.

Electric current ampere A The ampere is that constant current which, if maintained in twostraight parallel conductors of infinite length, of negligible circularcross-section, and placed 1 metre apart in vacuum, would producebetween these conductors a force equal to 2 × 10

7 newton permetre of length.

Thermodynamictemperature

kelvin K The kelvin, unit of thermodynamic temperature, is the fraction1/273.16 of the thermodynamic temperature of the triple point ofwater.

Amount ofsubstance

mole mol 1. The mole is the amount of substance of a system whichcontains as many elementary entities as there are atoms in0.012 kilogram of carbon 12.

2. When the mole is used, the elementary entities must bespecified and may be atoms, molecules, ions, electrons, otherparticles, or specified groups of such particles.

Luminousintensity

candela cd The candela is the luminous intensity, in a given direction, of asource that emits monochromatic radiation of frequency 540 × 1012

hertz and that has a radiant intensity in that direction of 1/683 wattper steradian.


Ende

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