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Einführung in dieExperimentalphysik für Pharmazeuten

Friedrich Simmele-mail simmel@lmu.de

Vorlesung: Montags 14.15 bis 15.45, Liebig HS

Übung : Montags 13.15 bis 14.00, Butenandt HS

Klausur: ~ am 15. Februar 2007 von 14.00 bis 15.30

http://www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/wise_06_07/pphWeb-Seite zur Vorlesung :

Experimentelle Vorlesungsbegleitung: Karin Beer, Christian Hundschell

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Schellingstr.4

INFO: Physik-Praktikum für pharmazeutische Studiengänge im Sommersemester 2007

http://www.physik.uni-muenchen.de/studium/praktikum/

Organisation: Dr. Karsten Jessen Schellingstr. 4, 80799 München karsten.jessen@physik.uni-muenchen.de

Informationen (ab Februar) unter:

- Termine- Online-Anmeldung Meldeschluss 31. März- Aktuelles

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Physik-Praktikum für pharmazeutische Studiengänge im Sommersemester 2007

Organisation: Dr. Karsten Jessen Schellingstr. 4, 80799 München karsten.jessen@physik.uni-muenchen.de

erforderlich für Teilnahme:

- Physik-Vorlesung (diese hier)

- Online-Anmeldung

- Einführungsveranstaltung

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Inhalt :

Mechanik Bewegungen, Kräfte, Impuls, Energie, Hydrostatik, Hydrodynamik Schwingungen und Wellen, AkustikWärmelehre Temperatur, Wärme, Aggregatzustände, WärmeleitungElektrizitätslehre: Elektrostatik und Elektrodynamik Ladungen, Felder, Potentiale, Spannung, Strom, Magnetismus, Induktion, Wechselströme Elektromagnetische WellenOptik Strahlenoptik, Wellenoptik, Röntgenstrahlung, LaserAufbau der Materie Atomphysik, Kernphysik, Festkörper

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Literatur:

430 Seiten, ca. 30 Euro 720 Seiten, ca. 54 Euro

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7Quelle : Lottspeich & Zorbas

Die wichtigsten methodischenEntwicklungen in der Bioanalytik

PhysikalischePhänomenesindGrundlagevieler bio-analytischerTechniken

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Zur Methode der Physik

stellt Fragen an die Natur

=> Experimente

1. Empirische Wissenschaft

Beschreibung der Natur mit Hilfe der Mathematik

2. Exakte Wissenschaft

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• Ein Körper bewegt sich nur bei ständiger Krafteinwirkung.

• Je größer die Kraft, desto größer die Geschwindigkeit.

• Kraft bedeutet Bewegungs- oder Wirkungsvermögen.

• Ruhe und Bewegung sind wesensmäßig zu unterscheidende Zustände.

Aristoteles´ Bewegungslehre

falschAristoteteles 384 – 322 v. Chr.

10Erkenntnis

Hypothese

Experiment

Theorie

"Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosopie""

Newtonsche Mechanik :Erste moderneTheorie

Galileo: einer der ersten modernen Experimentatoren

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Konkurrenz der Weltbilder (Theorien)

grafische Darstellung von 1750

jede der abgebildeten Theorien hatte den Anspruch, den Lauf der Planeten korrekt zu beschreiben und vorhersagen zu können

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Physikalische Größen, Einheiten

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Physikalische Größe = Maßzahl * Maßeinheit

Eigenschaften, Zustände oder Vorgänge die messbar sind, bezeichnet man als physikalische Größen

Länge (m) m: MeterZeit (s) s: SekundeGeschwindigkeit (m/s)Kraft (N) N: Newton

Dimension : Beschreibung einer physikalischen Größe in ihren Basisgrößen

Physikalische Größen, Einheiten

Geschwindigkeit = LängeZeit

(Die Dimension ist unabhängig von der Wahl der Einheiten)

Beispiel:

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Physikalische Größen, Einheiten

Schreibweisen:

- physikalische Größen werden kursiv geschrieben

- Einheiten werden nicht kursiv geschrieben

[...] bedeutet „Einheit von“

Beispiel: [v]=m/s

„Die Einheit der Geschwindigkeit ist Meter/Sekunde“

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Die Basiseinheiten (SI-Einheiten)

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Die Basiseinheiten (SI-Einheiten)SI: système international d’unités

m

Elektrizitätslehre

Wärmelehre

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Das Urmeter von 1876

Einheit der Länge

Relative Unsicherheit 10-14

Seit 1983 ist die Licht-geschwindigkeit aufc0=299 798 458 m/sfestgelegt.

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Größenordnungen in der Physik

Logarithmische Skala

n10

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Bakterium

TM VirusPhage

Virus

a) Kohlenstoffb) Zuckerc) ATPd) Chlorophylle) tRNAf) Antikörperg) Ribosomeh) Poliovirusi) Myosinj) DNAk) F-actinl) Enzymem) Pyruvat dehydrogenase

Goodsell, 1993

1µm

Moleküle

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Vorsilben zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen

(SI - Vorsätze)

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Mikrostrukturierung

Chemie

Nanowissenschaft

„bottom-up“

„top-down“

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Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch.

Einheit der Zeit

Früher :1 sec=1/86400 Tag(Sonnensekunde)

Relative Unsicherheit 10-14

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Zeitskalen von Ereignissen

1018 Alter des Universums1017 Leben auf der Erde1014 Erste Menschen 1011 Alter der Pyramiden107 1 Jahr = 3,15 107 s ,105 1 Tag = 8,64 104 s103 Zeit die Licht von der Sonne zur Erde benötigt1 Abstand zwischen Herzschlägen10-3 Periode einer Schallwelle10-6 Periode einer Radiowelle (MHz)10-9 Licht legt 30cm zurück10-12 Periode einer Molekülschwingung10-15 Schnelle chemische Reaktionen10-18 Licht legt Atomdurchmesser zurück10-23 Licht legt Kerndurchmesser zurück

sec

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Das Urkilogramm

Einheit der Masse

Relative Unsicherheit 10-9

ursprüngliche Definition:

Masse von 1 Liter Wassermaximaler Dichte (bei 3.98°C)

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alte Apothekerwaage Analysenwaage

Genauigkeit 0.0001 g

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Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielenTeilchen besteht, wie Atome in 0,012 kg des Kohlenstoffnuklids 12Centhalten sind.

In der Atomphysik und Chemie werden auch Atommasseneinheiten benutzt.Dem Isotop 12C wird die Atommassenzahl 12 zugeordnet

Atomare Masseneinheit (amu) =u= ( ) kg1066053,1mol

kg10

12

1 273

12 !!

"==A

NCm

StoffmengeneinheitDefinition

Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist dieAvogadro-Konstante NA= 6,022·1023/mol

AN

Nn = N : Teilchenzahl (einheitenlos)

n : Stoffmenge (mol)

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a mole

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Avogadro und Loschmidt

Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (* 9. August 1776 in Turin; † 9. Juli 1856 in Turin)

Molekularhypothese:

gleiche Volumina von Gasen enthalten unter gleichen Bedingungen die gleiche Anzahl von Teilchen

(* 15. März 1821 in Putschirn bei Karlsbad; † 8. Juli 1895 in Wien)Johann Josef Loschmidt

u.a. Bestimmung der Größe von Luftmolekülen

und 1865 erstmalige Schätzung der Avogadrozahl ( Loschmidtzahl)

erstmalige genaue Bestimmung: Perrin (1914)

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Lichtstärke: CandelaEin Candela ist die Lichtstärke (Lichtstromdichte) einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 · 1012 Hertz, entsprechend einer Wellenlänge λ von ca. 555 nm, mit einer Leistung von 1/683 Watt pro Steradiant (Raumeinheitswinkel) aussendet. Wie bei allen photometrischen Größen bestimmt die Hellempfindlichkeitskurve V(λ) die physiologische Abhängigkeit von der Wellenlänge. Für die gewählte Wellenlänge gilt: V(555nm) = 1.

Retina

Im Gegensatz zur „Intensität“ (= Energiefluss in Watt/m2))Ist die empfundene Lichtstärke von den physiologischenCharakterisitika des Auges abhängig.

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Rechnen mit physikalischen Größen

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32

Messung 1 2 3 4 5xi 12 8 20 15 16

2. statistische Fehler

Messreihe

Messgenauigkeit und Messfehler1. systematische Fehler : z.B. durch Messapparatur bedingt

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Messung 1 2 3 4 5xi 12 8 20 15 16

!=

=N

i

ix

Nx

1

1

( )2

1

2

1

1

!=

""

=N

i

ixx

N#

MittleresSchwankungsquadratder Einzelmessung(Varianz)

( )( )

2

11

1

!=

""#

=N

i

iMxx

NN$

Arithmetisches Mittel

2. statistische Fehler

Messreihe

Messgenauigkeit und Messfehler1. systematische Fehler : z.B. durch Messapparatur bedingt

Mittlerer Fehler desarithmetischenMittels

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Eichen und Kalibrieren

Eichung (Wikipedia)

Eichung ist die vom Gesetzgeber vorgeschriebene Prüfung einesMessgerätes auf Einhaltung der zugrundeliegenden eichrechtlichenVorschriften, insbesondere der Eichfehlergrenzen. Mit einem Stempel wirddie Einhaltung für die Gültigkeitsdauer der Eichung bestätigt. Eichungenwerden in der Bundesrepublik Deutschland von den Landeseichämtern undStaatlich Anerkannten Prüfstellen unter fachlicher Aufsicht durch diePhysikalisch-Technische Bundesanstalt durchgeführt. Oder in anderenWorten: eine Eichung ist eine gesetzlich vorgeschriebene und auf nationaleStandards rückführbare Kalibrierung.

Oft wird der Begriff Eichung fälschlich für Kalibrierung verwandt. So hörtman oft vom angeblichen "Eichstrich" an Schankgefäßen (Bierglas), obwohlSchankgefäße von der Eichpflicht ausgenommen sind. Richtig ist "Füllstrich".

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Eichen und Kalibrieren

Kalibrierung (Wikipedia)

Die Prüfung von Messgeräten, für die es keine gesetzlichen Vorgaben gibt,stellt eine Kalibrierung dar. Sie ist im Gegensatz zur Eichung keinehoheitliche Aufgabe. Eine interne Kalibrierung ist eine Kalibrierung, bei deralle Messgeräte auf einen firmeninternen oder organisationsinternenStandard genormt werden. Eine rückführbare Kalibrierung ist eineKalibrierung, deren Referenz ein nationaler Standard ist (z.B. einMessgerät/Messaufbau der PTB), die gewonnenen Messergebnisse sindfolglich auf diesen nationalen Standard rückführbar. RückführbareMessgeräte werden oft auch als Referenz-Messgeräte bezeichnet. DerVorteil der auf nationale (und somit in der Regel auch internationale)Standards rückführbaren Messgeräte ist die weltweite Vergleichbarkeit derMessergebnisse.

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Parallaxenfehler

Versuch

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Messfehler: Maßstab

Länge: ?

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Messfehler mit sinnesphysiologischen Ursachen

Extremfall: optische Täuschungen

Versuch

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Messreihe :xi 12 8 20 15 16i 1 2 3 4 5

arithmetischerMittelwert ( ) 2,14161520812

5

1=++++=x

( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ } 87,38,18,08,52,42,24

1 22222=++++++!+!=

x"

Standardabweichung der Einzelmessung

73,15

87,3===

N

x

M

!!

Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts

7,12,14 ±=x

40

Grafische Darstellung der Messreihe

1 2 3 4 5

10

20!±

ix

Mx !±

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Quelle : Demtröder

Wie nah sind wir dem "wahren" Wert ?

Zur Natur der Messfehler

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„Signifikante Stellen“

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Zusammenfassung

Kriterien einer physikalischen Messung1. reproduzierbar (Vergleichbarkeit von Messungen an verschiedenen Orten und Zeiten)

2. quantitativ (zahlenmäßig in Bezug auf eine Vergleichsgröße, die Maßeinheit)

3. genau (Angabe eines Messfehlers)

Grundgrößen der Mechanik : Meter, Kilogramm, Sekunde(MKS)

Fehlerstatistik

m/s10998.28

!=cLichtgeschwindigkeit :Avogadro-Konstante:

Naturkonstanten

123mol10022.6

!"=

AN

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Hinweis:

Nächsten Montag, 30.10.06, fallen Übung und Vorlesung aus !

Weitere aktuelle Infos siehe Webseite