http://www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/index.html Alle Informationen zur Vorlesung unter :

Prof. Joachim Rädler & Dr. Bert Nickel

Paul Koza (Vorlesungsbetreuung)

Experimentalphysik E1

Anmeldung zu den Übungen über das LSF System

18. Okt 2016

* Weltbild der Physik – Theorie und Experiment * Grundgrößen, Normale und Messverfahren * Dimension und Größenordnungen

Mechanik – Grundlagen der Physik

Inhalte - heute

* Mechanik eines Massepunktes Bewegungen, Kräfte, Drehbewegungen, Impuls, Energie, Spezielle Relativitätstheorie * Systeme von Massepunkten, Dynamik starrer Körper * Schwingungen und Wellen * Hydrostatik, Hydrodynamik * Akustik

Mechanik: „Lehre von der Bewegung von Körpern“

Inhalte

Literatur: W. Demtröder, Experimentalphysik 1 Springer Lehrbuch P. A. Tipler, „Physik“, Spektrum Akad. Verlag Meschede, Gerthsen „Physik“, Springer Verlag D.C. Giancoli . „Physik“, Pearson Studium Bergmann, Schäfer : „Lehrbuch der Experimentalphysik“ R.W. Pohl „Mechanik, Akustik und Wärmelehre“

The Feynman Lectures on Physics, Vol.1, Addison Wesley

Mechanik ist überall Extra- terrestrische Planeten, LS Bender

Nanophysik: E Weig, LS Kotthaus

Kraftspektroskopie LS Gaub

Meteorologie LS Mayer

Forschungsschwerpunkte der Fakultät Physik

²  Astronomie & Astrophysik, Kosmologie ²  Molekulare Biophysik,

Statistische Physik ²  Festkörper & Nanophysik ²  Hochenergiephysik &

Mathematische Physik ²  Laserphysik & Quantenoptik ²  Meteorologie ²  Medizinische Physik ²  Didaktik der Physik

"Man kann einem Menschen nichts lehren; man kann ihm nur helfen, es in sich selbst zu finden."

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

„Science is a way to teach how something gets to be known, what is not known, to what extent things are known (for nothing is known absolutely), how to handle doubt and uncertainty, what the rules of evidence are, how to think about things so that judgements can be made, how to distinguish truth from fraud, and from show.“

Richard Feynman

Demokrit: ατοµοσ=unteilbar kleinste Teilchen, τοµε=schneiden. Unendlich viele verschiedene Atome. Aristoteles: Die vier Elemente Erde, Feuer, Wasser, Luft streben ihrem natürlichen Ort zu und kommen dort zur Ruhe. Feuer nach oben, Erde nach unten. Die ungebremste Bewegung am Himmel unterliegt dem nicht und besteht daher aus einem fünften Element der Quintessenz. Ptolemäus: Planetenbahnen umkreisen die Erde auf Epizykeln. Archimedes: Kreisberechnung, Hebelgesetze, Schwerpunkt, Auftrieb.

Erkenntnis durch Überlegung und Beobachtung ohne experimentelle Überprüfung!

Antike Naturphilosophie (500 v. Chr. bis 1600)

Galilei: Fallgesetzte, Koordinatensystem, Astronomie. Kepler: Gesetze der Himmelsmechanik. Newton: Grundprinzipien der Mechanik (träge Masse), Gravitation, Optik (Welle oder Teilchen). Gasgesetze: Atome, Thermodynamik, Dampfmaschinen. Maxwell: Theorie des Elektromagnetismus. Relativistisch korrekt! Ende des 20. Jh. erscheint vielen die Physik als abgeschlossen. „Lediglich“ die Wärmestrahlung und das Michelson-Morley Experiment waren noch nicht verstanden.

Klassische Physik (1600 bis 1900) Experimentelle Überprüfung von Hypothesen. Beweisen statt Glauben. Explosion des Wissens.

Moderne Physik (seit 1900) Geht an die Grenze des Vorstellbaren, und darüber hinaus! 2. Explosion des Wissens.

Max-Planck (1858-1947): Wärmestrahlung, Energiequantelung und daraus eine völlig neue Physik, die Quantenmechanik (Welle UND Teilchen).

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Historisches: ModerneModerne Physik (seit 1900)Geht an die Grenze des Vorstellbaren, und darüber hinaus!2. Explosion des Wissens.

Max-Planck (1858-1947):Wärmestrahlung, Energiequantelung und daraus eine völligneue Physik, die Quantenmechanik (Welle UND Teilchen).

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Historisches: ModerneModerne Physik (seit 1900)Geht an die Grenze des Vorstellbaren, und darüber hinaus!2. Explosion des Wissens.

Albert Einstein (1879-1955):Quantentheorie, Relativität, Gravitationund vieles Mehr.

Albert Einstein (1879-1955): Quantentheorie, Relativität, Gravitation ….

und viele mehr ...

Galileo Galilei (1564-1642) “erster Experimentalphysiker”

Sir Isaac Newton (1642-1727)

“erster Theoretiker”

Zur Methode der Physik

stellt Fragen an die Natur => Experimente

1. Empirische Wissenschaft

Beschreibung der Natur mit Hilfe der Mathematik

2. Exakte Wissenschaft

Nach welchem Gesetz fallen Körper ?

Albert von Sachsen (14 Jhr n. Chr.) : v~s Nicole Oresme (14 Jhr n. Chr.) : v~t Leonardo da Vinci (15 Jhr n. Chr.) : Die in gleichen Zeitintervallen zurückgelegten Strecken sind proportional den ganzen Zahlen (1,2,3 ...)

Galileo unter anderen (16 Jhr n. Chr.) : Die in gleichen Zeitintervallen zurückgelegten Strecken sind proportional den ungeraden ganzen Zahlen (1,3,5, ...)

Aristoteles (4. Jahrh. v. Chr.) Erde ist der niedrigste natürliche Ort, also fallen alle Körper, die aus Erde sind, auf die Erde. Schwere Körper, die mehr Erde enthalten, fallen schneller als leichte.

Galilei führte die ersten systematischen Messungen aus. Sein Trick : Verlangsamung des „freien Falls“ durch schiefe Ebene

Die menschliche Wahrnehmung ist für physikalische Messungen nur bedingt brauchbar.

Zur Messmethode

Forderungen an eine physikalische Messung: 1.  reproduzierbar (Invarianz der Naturgesetze) 2.  quantitativ (d.h. zahlenmäßig in Maßeinheiten) 3.  genau (unter Angabe eines Messfehlers)

Die menschliche Wahrnehmung ist für physikalische Messungen nur bedingt brauchbar. (siehe Demonstrationen)

Messverfahren und Normale Messen heißt immer zwei Größen miteinander zu vergleichen. Für einen einheitlichen, zahlenmäßigen Vergleich werden Standards, sogenannte Normale festgelegt. Der Messvorgang sollte folgende Kriterien erfüllen :

Forderungen an ein Normal:

Normale müssen mit genügender Genauigkeit, reproduzierbar und mit vertretbarem technischen Aufwand mit zu messender Größen vergleichbar sein.

Griechisches Alphabet

Einheit der Masse

=> Relative Messunsicherheit : 10-9

Heute gültige Definition : Kilogramm [kg] 1 Kilogramm (kg) ist die Masse eines Platin-Iridium-Zylinders, der als Massennormal in Paris aufbewahrt wird.

Das „Urkilogramm“

Das Kilogramm ist durch die Masse eines Einheitskörpers festgelegt (Urkilogramm), das in Sevres bei Paris (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) aufbewahrt wird (seit 1889). Eine Kopie des Urkilogramms befindet sich an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Vorarbeiten zu Definition über feste Zahl von Atomen (Si-Einkristall)

1 Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012kg des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind. Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 Mol ist die Avogadro-Konstante NA= 6.022 1415(10) × 1023/mol

Atomphysik und Chemie rechnen mit Atommasseneinheiten

Dem Isotop 12C wird die Atommassenzahl 12 zugeordnet

Eine atomare Masseneinheit u = ( ) kgCm 2712 1066053,1121 −⋅=

Stoffmengeneinheit (Mol)

N = nNA N : Teilchenzahl [einheitenlos] n : Stoffmenge [mol]

Atomare Masse

(Relative Genauigkeit von NA : 0.59 10-6)

Wird auch Dalton (Da) genannt

Siliziumkugel als neuer Massestandard ?

Abzählen der Atome notwendig

Die Avogadro-Kugel aus dem Silizium-Isotop-28 könnte zur Neudefinition des Urkilogramms herangezogen werden.

Längenmessung

Mittelalterliche Längenmaße

Altes Rathaus Regensburg

Fuß, Elle,

Klafter

1875 : Das Urmeter (Paris)

Seit 1983 i: Lichtgeschwindigkeit auf c0=299 792 458 m/s festgelegt.

Einheit der Länge

1960 Definition über die Wellenlänge des Krypton-Isotops 86

=> Relative Messunsicherheit : 10-14

Heute gültige Definition : Meter [m] 1 Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299 792 458 Sekunden durchläuft.

Wurde so gewählt, dass die Strecke vom Nordpol über Paris zum Äquator 107m beträgt.

GPS Triangulation mit Radiosignalen

Vorsilben zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen

(SI - Vorsätze)

Massen und Längen im Universum

Planck- Länge (ca. 10−35 m)

Größe des Universums (ca. 1027 m)

Alter des Universums: 13.7 Mrd Jahre

Bildquelle: Sedlmayr